JP7670100B2 - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device.
従来、半導体ウエハに水素イオンを注入して、半導体ウエハのドーピング濃度を調整する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 US2015/0050754号
2. Description of the Related Art Conventionally, a technique for adjusting the doping concentration of a semiconductor wafer by implanting hydrogen ions into the semiconductor wafer has been known (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233663).
水素の注入位置から離れた領域まで、水素が容易に拡散できることが好ましい。 It is preferable that hydrogen can easily diffuse to areas distant from the hydrogen injection site.
上記課題を解決するために、本発明の一つの態様においては、上面および下面を有し、バルク・ドナーを含む半導体基板を備える半導体装置を提供する。上記半導体装置は、前記半導体基板の前記下面側に配置され、前記半導体基板の深さ方向において1個以上のドーピング濃度ピークを有する、第1導電型のバッファ領域を備えてよい。上記いずれかの半導体装置は、前記バッファ領域と前記半導体基板の前記上面との間に配置され、バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高い第1導電型の高濃度領域を備えてよい。上記いずれかの半導体装置において、前記バッファ領域の前記ドーピング濃度ピークのうち、前記半導体基板の前記下面に最も近い最浅ドーピング濃度ピークは、他の前記ドーピング濃度ピークよりも高濃度の水素ドナーの濃度ピークであってよい。上記いずれかの半導体装置において、実際のバルク・ドナー濃度N
Bre
(/cm
3
)とバルク・ドナー濃度の仕様値N
B0
(/cm
3
)との比βを下式で定義し、
β=N
Bre
/N
B0
前記高濃度領域における実際のドナー濃度N
Fre
(/cm
3
)と前記高濃度領域におけるドナー濃度の目標値N
F0
(/cm
3
)との比γを下式で定義し、
γ=N
Fre
/N
F0
前記ドナー濃度の目標値N
F0
に対して、前記バルク・ドナー濃度の仕様値N
B0
をε'だけ小さく設定する、という意味のパラメータε'を下式で定義すると、
N
B0
=ε'×N
F0
前記比β、前記比γおよび前記パラメータε'の関係が下式で表され、
γ=1+ε'(β―1)
上式において、前記比βの値は、0.1以上、10以下であり、前記比γの値は、0.85以上、1.15以下であり、前記パラメータε'の値は、0.001以上、0.5以下であり、
前記比β、前記比γ、前記パラメータε'の値の範囲内で、前記比γが上式を満たしてよい。
In order to solve the above problem, one aspect of the present invention provides a semiconductor device including a semiconductor substrate having an upper surface and a lower surface and including a bulk donor. The semiconductor device may include a buffer region of a first conductivity type disposed on the lower surface side of the semiconductor substrate and having one or more doping concentration peaks in a depth direction of the semiconductor substrate. Any of the above semiconductor devices may include a high concentration region of a first conductivity type disposed between the buffer region and the upper surface of the semiconductor substrate and having a donor concentration higher than a bulk donor concentration . In any of the above semiconductor devices, the shallowest doping concentration peak of the doping concentration peaks in the buffer region and closest to the lower surface of the semiconductor substrate may be a concentration peak of a hydrogen donor having a higher concentration than the other doping concentration peaks. In any of the above semiconductor devices, a ratio β between an actual bulk donor concentration N Bre (/cm 3 ) and a specified value N B0 (/cm 3 ) of the bulk donor concentration is defined by the following formula:
β=N Bre /N B0
The ratio γ of the actual donor concentration N Fre (/cm 3 ) in the high-concentration region to the target value N F0 (/cm 3 ) of the donor concentration in the high-concentration region is defined by the following formula:
γ=N Fre /N F0
A parameter ε′, which means that the specification value N B0 of the bulk donor concentration is set to be smaller than the target value N F0 of the donor concentration by ε′, is defined by the following equation:
N B0 = ε ' × N F0
The relationship between the ratio β, the ratio γ, and the parameter ε′ is expressed by the following formula:
γ=1+ε′(β−1)
In the above formula, the value of the ratio β is 0.1 or more and 10 or less, the value of the ratio γ is 0.85 or more and 1.15 or less, and the value of the parameter ε′ is 0.001 or more and 0.5 or less,
The ratio γ may satisfy the above formula within the ranges of the ratio β, the ratio γ, and the parameter ε′.
上記いずれかの半導体装置において、前記半導体基板は、MCZ基板であってよい。In any of the above semiconductor devices, the semiconductor substrate may be an MCZ substrate.
上記いずれかの半導体装置において、前記半導体装置の定格電圧をx(V)とした場合に、前記半導体基板の前記深さ方向の中央における前記実際のドナー濃度NIn any one of the above semiconductor devices, when a rated voltage of the semiconductor device is x (V), the actual donor concentration N FreFre は、(9.20245×10is (9.20245 x 10 1515 )/x以上、(9.20245×10)/x or more, (9.20245×10 1616 )/xであってよい。)/x.
上記いずれかの半導体装置において、前記半導体装置の定格電圧をx(V)とした場合に、前記実際のバルク・ドナー濃度NIn any one of the above semiconductor devices, when the rated voltage of the semiconductor device is x (V), the actual bulk donor concentration N BreBre が、(9.20245×10But (9.20245 x 10 1212 )/x以上、(4.60123×10)/x or more, (4.60123×10 1616 )/x以下であってよい。)/x or less.
上記いずれかの半導体装置は、前記半導体基板の前記上面側に配置された不純物化学濃度ピークを更に備えてよい。上記いずれかの半導体装置において、前記高濃度領域は、ドーピング濃度が略一様な一様領域を含んでよい。上記いずれかの半導体装置において、前記一様領域のドーピング濃度分布は、第1範囲において、ドーピング濃度分布の平均濃度に対してドーピング濃度分布の値が当該平均濃度の±50%以内であってよい。上記いずれかの半導体装置において、前記第1範囲は、前記高濃度領域の前記深さ方向における長さをZAny of the above semiconductor devices may further include an impurity chemical concentration peak disposed on the upper surface side of the semiconductor substrate. In any of the above semiconductor devices, the high concentration region may include a uniform region having a substantially uniform doping concentration. In any of the above semiconductor devices, the doping concentration distribution of the uniform region may have a doping concentration distribution value within ±50% of an average concentration of the doping concentration distribution in a first range. In any of the above semiconductor devices, the first range may be a length of the high concentration region in the depth direction that is Z LL とし、前記深さ方向における前記最浅ドーピング濃度ピークと前記不純物化学濃度ピークとの間の中心をZThe center between the shallowest doping concentration peak and the impurity chemical concentration peak in the depth direction is Z 12c12c とした場合に、中心ZIn this case, the center Z 12c12c を含む0.5ZIncluding 0.5Z LL の長さの区間であってよい。The interval may be an interval of length .
上記いずれかの半導体装置は、前記半導体基板の前記上面側に配置された不純物化学濃度ピークを更に備えてよい。上記いずれかの半導体装置において、前記不純物化学濃度ピークの頂点から前記上面側に向かって不純物化学濃度が減少する上側裾は、前記不純物化学濃度ピークの頂点から前記下面側に向かって前記不純物化学濃度が減少する下側裾よりも、前記不純物化学濃度が急峻に減少してよい。上記いずれかの半導体装置において、前記バッファ領域は、2個以上の前記ドーピング濃度ピークを有してよい。Any of the above semiconductor devices may further include an impurity chemical concentration peak disposed on the upper surface side of the semiconductor substrate. In any of the above semiconductor devices, an upper base where the impurity chemical concentration decreases from the apex of the impurity chemical concentration peak toward the upper surface side may decrease more steeply than a lower base where the impurity chemical concentration decreases from the apex of the impurity chemical concentration peak toward the lower surface side. In any of the above semiconductor devices, the buffer region may have two or more of the doping concentration peaks.
上記課題を解決するために、本発明の他の態様においては、半導体基板のバルク・ドナー濃度の仕様値NIn order to solve the above problems, in another aspect of the present invention, a bulk donor concentration specification value N
B0B0
(/cm(/cm
33
)を決める段階を備える半導体装置の製造方法を提供する。上記半導体装置の製造方法は、前記半導体基板のドナー濃度の目標値NThe method for manufacturing a semiconductor device further comprises a step of determining a target value N
F0F0
(/cm(/cm
33
)を決める段階を備えてよい。上記いずれかの半導体装置の製造方法は、前記半導体基板の上面または下面から荷電粒子および水素イオンを注入する第1注入段階を備えてよい。上記いずれかの半導体装置の製造方法は、前記半導体基板をアニールする第1アニール段階を備えてよい。上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記水素イオンの注入による水素ドナー濃度をNAny of the above-mentioned methods for manufacturing a semiconductor device may include a first implantation step of implanting charged particles and hydrogen ions from an upper surface or a lower surface of the semiconductor substrate. Any of the above-mentioned methods for manufacturing a semiconductor device may include a first annealing step of annealing the semiconductor substrate. In any of the above-mentioned methods for manufacturing a semiconductor device, the hydrogen donor concentration by the implantation of the hydrogen ions may be determined as N
HH
(/cm(/cm
33
)とし、前記半導体基板の実際のバルク・ドナー濃度をN) and the actual bulk donor concentration of the semiconductor substrate is N
BreBre
(/cm(/cm
33
)とし、前記半導体基板の実際に得られた最終的なドナー濃度をN) and the final donor concentration actually obtained in the semiconductor substrate is N
FreFre
(/cm(/cm
33
)とすると、前記ドナー濃度の目標値N), the target value of the donor concentration N
F0F0
は、前記バルク・ドナー濃度の仕様値Nis the specified value of the bulk donor concentration N
B0B0
と前記水素ドナー濃度Nand the hydrogen donor concentration N
HH
により、NTherefore, N
F0F0
=N= N
HH
+N+N
B0B0
で表され、前記最終的なドナー濃度Nand the final donor concentration N
FreFre
は、前記実際のバルク・ドナー濃度Nis the actual bulk donor concentration N
BreBre
と前記水素ドナー濃度Nand the hydrogen donor concentration N
HH
により、NTherefore, N
FreFre
=N= N
HH
+N+N
BreBre
で表され、前記実際のバルク・ドナー濃度Nand the actual bulk donor concentration N
BreBre
と前記バルク・ドナー濃度の仕様値Nand the bulk donor concentration specification value N
B0B0
との比βを下式で定義し、The ratio β is defined as follows:
β=Nβ=N
BreBre
/N/N
B0B0
前記実際のドナー濃度NThe actual donor concentration N
FreFre
と前記ドナー濃度の目標値Nand the target value N of the donor concentration
F0F0
との比γを下式で定義し、The ratio γ is defined as follows:
γ=Nγ=N
FreFre
/N/N
F0F0
前記ドナー濃度の目標値NThe target value N of the donor concentration
F0F0
に対して、前記バルク・ドナー濃度の仕様値N, the bulk donor concentration specification value N
B0B0
をε'だけ小さく設定する、という意味のパラメータε'を下式で定義すると、The parameter ε', which means to set the value of the parameter ε' to be smaller than the value of the parameter ε', is defined as follows:
NN
B0B0
=ε'×N= ε' × N
F0F0
前記比β、前記比γおよび前記パラメータε'の関係が下式で表され、The relationship between the ratio β, the ratio γ, and the parameter ε′ is expressed by the following formula:
γ=1+ε'(β―1) γ=1+ε'(β-1)
上式において、前記比βの値は、0.1以上、10以下であり、前記比γの値は、0.85以上、1.15以下であり、前記パラメータε'の値は、0.001以上、0.5以下であり、前記比β、前記比γ、前記パラメータε'の値の範囲内で、前記比γが上式を満たすように、前記第1注入段階および前記第1アニール段階を行ってよい。In the above formula, the value of the ratio β is 0.1 or more and 10 or less, the value of the ratio γ is 0.85 or more and 1.15 or less, and the value of the parameter ε' is 0.001 or more and 0.5 or less, and the first implantation step and the first annealing step may be performed so that the ratio γ satisfies the above formula within the ranges of the values of the ratio β, the ratio γ, and the parameter ε'.
上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記半導体基板は、MCZ基板であってよい。In any of the above methods for manufacturing a semiconductor device, the semiconductor substrate may be an MCZ substrate.
上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記半導体装置の定格電圧をx(V)とした場合に、前記半導体基板の深さ方向の中央における前記最終的なドナー濃度NIn any one of the above-described methods for manufacturing a semiconductor device, when a rated voltage of the semiconductor device is x (V), the final donor concentration N FreFre は、(9.20245×10is (9.20245 x 10 1515 )/x以上、(9.20245×10)/x or more, (9.20245×10 1616 )/xであってよい。)/x.
上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記半導体装置の定格電圧をx(V)とした場合に、前記実際のバルク・ドナー濃度NIn any one of the above-mentioned methods for manufacturing a semiconductor device, when a rated voltage of the semiconductor device is x (V), the actual bulk donor concentration N BreBre が、(9.20245×10But (9.20245 x 10 1212 )/x以上、(4.60123×10)/x or more, (4.60123×10 1616 )/x以下であってよい。)/x or less.
上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記第1注入段階において、前記下面から第1の位置に前記水素イオンを注入し、且つ、前記第1の位置よりも前記半導体基板の前記上面に近い第2の位置に前記荷電粒子を注入してよい。In any of the above-described methods for manufacturing a semiconductor device, in the first implantation step, the hydrogen ions may be implanted from the lower surface to a first position, and the charged particles may be implanted to a second position closer to the upper surface of the semiconductor substrate than the first position.
上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記第2の位置は、前記半導体基板の前記上面側に配置されていてよい。In any of the above methods for manufacturing a semiconductor device, the second position may be disposed on the upper surface side of the semiconductor substrate.
上記いずれかの半導体装置の製造方法の前記第1アニール段階において、前記第1の位置から前記第2の位置まで、前記半導体基板に前記バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高い高濃度領域が形成されてよい。In the first annealing step of any of the above methods for manufacturing a semiconductor device, a high concentration region having a donor concentration higher than the bulk donor concentration may be formed in the semiconductor substrate from the first position to the second position.
上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記高濃度領域は、ドーピング濃度が略一様な一様領域を含んでよい。上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記一様領域のドーピング濃度分布は、第1範囲において、ドーピング濃度分布の平均濃度に対してドーピング濃度分布の値が当該平均濃度の±50%以内であってよい。上記いずれかの半導体装置の製造方法において、前記第1範囲は、前記高濃度領域の深さ方向における長さをZIn any of the above methods for manufacturing a semiconductor device, the high concentration region may include a uniform region having a substantially uniform doping concentration. In any of the above methods for manufacturing a semiconductor device, the doping concentration distribution of the uniform region may have a doping concentration distribution value within ±50% of an average concentration of the doping concentration distribution in a first range. In any of the above methods for manufacturing a semiconductor device, the first range may be a depth direction length of the high concentration region within Z LL とし、前記深さ方向における前記第1の位置と前記第2の位置との間の中心をZand the center between the first position and the second position in the depth direction is Z 12c12c とした場合に、中心ZIn this case, the center Z 12c12c を含む0.5ZIncluding 0.5Z LL の長さの区間であってよい。The interval may be an interval of length .
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 Note that the above summary of the invention does not list all of the necessary features of the present invention. Also, subcombinations of these features may also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The present invention will be described below through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the scope of the invention. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
本明細書においては半導体基板の深さ方向と平行な方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。基板、層またはその他の部材の2つの主面のうち、一方の面を上面、他方の面を下面と称する。「上」、「下」の方向は、重力方向または半導体装置の実装時における方向に限定されない。 In this specification, one side in a direction parallel to the depth direction of the semiconductor substrate is referred to as "upper" and the other side as "lower." Of the two main surfaces of a substrate, layer, or other member, one surface is referred to as the upper surface and the other surface is referred to as the lower surface. The directions of "upper" and "lower" are not limited to the direction of gravity or the directions when the semiconductor device is mounted.
本明細書では、X軸、Y軸およびZ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する場合がある。直交座標軸は、構成要素の相対位置を特定するに過ぎず、特定の方向を限定するものではない。例えば、Z軸は地面に対する高さ方向を限定して示すものではない。なお、+Z軸方向と-Z軸方向とは互いに逆向きの方向である。正負を記載せず、Z軸方向と記載した場合、+Z軸および-Z軸に平行な方向を意味する。 In this specification, technical matters may be explained using the orthogonal coordinate axes of the X-axis, Y-axis, and Z-axis. The orthogonal coordinate axes merely identify the relative positions of components, and do not limit a specific direction. For example, the Z-axis does not limit the height direction relative to the ground. Note that the +Z-axis direction and the -Z-axis direction are opposite directions. When the Z-axis direction is described without indicating positive or negative, it means the direction parallel to the +Z-axis and -Z-axis.
本明細書では、半導体基板の上面および下面に平行な直交軸をX軸およびY軸とする。また、半導体基板の上面および下面と垂直な軸をZ軸とする。本明細書では、Z軸の方向を深さ方向と称する場合がある。また、本明細書では、X軸およびY軸を含めて、半導体基板の上面および下面に平行な方向を、水平方向と称する場合がある。 In this specification, the orthogonal axes parallel to the upper and lower surfaces of the semiconductor substrate are referred to as the X-axis and Y-axis. The axis perpendicular to the upper and lower surfaces of the semiconductor substrate is referred to as the Z-axis. In this specification, the direction of the Z-axis may be referred to as the depth direction. In this specification, the direction parallel to the upper and lower surfaces of the semiconductor substrate, including the X-axis and Y-axis, may be referred to as the horizontal direction.
また、半導体基板の深さ方向における中心から、半導体基板の上面までの領域を、上面側と称する場合がある。同様に、半導体基板の深さ方向における中心から、半導体基板の下面までの領域を、下面側と称する場合がある。本明細書では、半導体基板の深さ方向における中心位置をZcと称する場合がある。 The region from the center of the semiconductor substrate in the depth direction to the upper surface of the semiconductor substrate may be referred to as the upper surface side. Similarly, the region from the center of the semiconductor substrate in the depth direction to the lower surface of the semiconductor substrate may be referred to as the lower surface side. In this specification, the center position of the semiconductor substrate in the depth direction may be referred to as Zc.
本明細書において「同一」または「等しい」のように称した場合、製造ばらつき等に起因する誤差を有する場合も含んでよい。当該誤差は、例えば10%以内である。 When terms such as "same" or "equal" are used in this specification, this may include cases in which there is an error due to manufacturing variations, etc. The error is, for example, within 10%.
本明細書においては、不純物がドーピングされたドーピング領域の導電型をP型またはN型として説明している。本明細書においては、不純物とは、特にN型のドナーまたはP型のアクセプタのいずれかを意味する場合があり、ドーパントと記載する場合がある。本明細書においては、ドーピングとは、半導体基板にドナーまたはアクセプタを導入し、N型の導電型を示す半導体またはP型の導電型を示す半導体とすることを意味する。 In this specification, the conductivity type of a doped region doped with impurities is described as P type or N type. In this specification, impurities may specifically mean either N type donors or P type acceptors, and may be described as dopants. In this specification, doping means introducing donors or acceptors into a semiconductor substrate to make it a semiconductor that exhibits N type conductivity or a semiconductor that exhibits P type conductivity.
本明細書においては、ドーピング濃度とは、熱平衡状態におけるドナーの濃度またはアクセプタの濃度を意味する。本明細書においては、ネット・ドーピング濃度とは、ドナー濃度を正イオンの濃度とし、アクセプタ濃度を負イオンの濃度として、電荷の極性を含めて足し合わせた正味の濃度を意味する。一例として、ドナー濃度をND、アクセプタ濃度をNAとすると、任意の位置における正味のネット・ドーピング濃度はND-NAとなる。本明細書では、ネット・ドーピング濃度を単にドーピング濃度と記載する場合がある。 In this specification, the doping concentration means the concentration of the donor or the concentration of the acceptor in a thermal equilibrium state. In this specification, the net doping concentration means the net concentration obtained by adding up the donor concentration as the concentration of positive ions and the acceptor concentration as the concentration of negative ions, including the polarity of the charge. As an example, if the donor concentration is N D and the acceptor concentration is N A , the net doping concentration at any position is N D -N A. In this specification, the net doping concentration may be simply referred to as the doping concentration.
ドナーは、半導体に電子を供給する機能を有している。アクセプタは、半導体から電子を受け取る機能を有している。ドナーおよびアクセプタは、不純物自体には限定されない。例えば、半導体中に存在する空孔(V)、酸素(O)および水素(H)が結合したVOH欠陥は、電子を供給するドナーとして機能する。本明細書では、VOH欠陥を水素ドナーと称する場合がある。 A donor has the function of supplying electrons to a semiconductor. An acceptor has the function of receiving electrons from a semiconductor. Donors and acceptors are not limited to impurities themselves. For example, a VOH defect in a semiconductor, which is a combination of a vacancy (V), oxygen (O), and hydrogen (H), functions as a donor that supplies electrons. In this specification, a VOH defect may be referred to as a hydrogen donor.
本明細書においてP+型またはN+型と記載した場合、P型またはN型よりもドーピング濃度が高いことを意味し、P-型またはN-型と記載した場合、P型またはN型よりもドーピング濃度が低いことを意味する。また、本明細書においてP++型またはN++型と記載した場合には、P+型またはN+型よりもドーピング濃度が高いことを意味する。本明細書の単位系は、特に断りがなければSI単位系である。長さの単位をcmで表示することがあるが、諸計算はメートル(m)に換算してから行ってよい。 In this specification, when it is written P+ type or N+ type, it means that the doping concentration is higher than that of P type or N type, and when it is written P- type or N- type, it means that the doping concentration is lower than that of P type or N type. Also, when it is written P++ type or N++ type, it means that the doping concentration is higher than that of P+ type or N+ type. The unit system in this specification is the SI unit system unless otherwise specified. The unit of length may be expressed in cm, but various calculations may be performed after converting to meters (m).
本明細書において化学濃度とは、電気的な活性化の状態によらずに測定される不純物の原子密度を指す。化学濃度(原子密度)は、例えば二次イオン質量分析法(SIMS)により計測できる。上述したネット・ドーピング濃度は、電圧-容量測定法(CV法)により測定できる。また、拡がり抵抗測定法(SR法)により計測されるキャリア濃度を、ネット・ドーピング濃度としてよい。CV法またはSR法により計測されるキャリア濃度は、熱平衡状態における値としてよい。また、N型の領域においては、ドナー濃度がアクセプタ濃度よりも十分大きいので、当該領域におけるキャリア濃度を、ドナー濃度としてもよい。同様に、P型の領域においては、当該領域におけるキャリア濃度を、アクセプタ濃度としてもよい。本明細書では、N型領域のドーピング濃度をドナー濃度と称する場合があり、P型領域のドーピング濃度をアクセプタ濃度と称する場合がある。 In this specification, chemical concentration refers to the atomic density of an impurity measured regardless of the state of electrical activation. The chemical concentration (atomic density) can be measured, for example, by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The above-mentioned net doping concentration can be measured by a voltage-capacitance measurement method (CV method). The carrier concentration measured by a spreading resistance measurement method (SR method) may be the net doping concentration. The carrier concentration measured by the CV method or the SR method may be a value in a thermal equilibrium state. In addition, since the donor concentration is sufficiently larger than the acceptor concentration in an N-type region, the carrier concentration in that region may be the donor concentration. Similarly, in a P-type region, the carrier concentration in that region may be the acceptor concentration. In this specification, the doping concentration in an N-type region may be referred to as the donor concentration, and the doping concentration in a P-type region may be referred to as the acceptor concentration.
また、ドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度分布がピークを有する場合、当該ピーク値を当該領域におけるドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度としてよい。ドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度がほぼ均一な場合等においては、当該領域におけるドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度の平均値をドナー、アクセプタまたはネット・ドーピングの濃度としてよい。本明細書において、単位体積当りの濃度表示にatоms/cm3、または、/cm3を用いる場合がある。この単位は、半導体基板内のドナーまたはアクセプタ濃度、または、化学濃度に用いられる。atоms表記は省略してもよい。 Furthermore, when the concentration distribution of the donor, acceptor or net doping has a peak, the peak value may be taken as the concentration of the donor, acceptor or net doping in the region. When the concentration of the donor, acceptor or net doping is almost uniform, the average value of the concentration of the donor, acceptor or net doping in the region may be taken as the concentration of the donor, acceptor or net doping. In this specification, atoms/cm 3 or /cm 3 may be used to express concentration per unit volume. This unit is used for donor or acceptor concentration or chemical concentration in a semiconductor substrate. The notation of atoms may be omitted.
SR法により計測されるキャリア濃度が、ドナーまたはアクセプタの濃度より低くてもよい。拡がり抵抗を測定する際に電流が流れる範囲において、半導体基板のキャリア移動度が結晶状態の値よりも低い場合がある。キャリア移動度の低下は、格子欠陥等による結晶構造の乱れ(ディスオーダー)により、キャリアが散乱されることで生じる。 The carrier concentration measured by the SR method may be lower than the donor or acceptor concentration. In the range where current flows when measuring the spreading resistance, the carrier mobility of the semiconductor substrate may be lower than the value in the crystalline state. The reduction in carrier mobility occurs when the carriers are scattered due to disorder in the crystal structure caused by lattice defects, etc.
CV法またはSR法により計測されるキャリア濃度から算出したドナーまたはアクセプタの濃度は、ドナーまたはアクセプタを示す元素の化学濃度よりも低くてよい。一例として、シリコンの半導体においてドナーとなるリンまたはヒ素のドナー濃度、あるいはアクセプタとなるボロン(ホウ素)のアクセプタ濃度は、これらの化学濃度の99%程度である。一方、シリコンの半導体においてドナーとなる水素のドナー濃度は、水素の化学濃度の0.1%から10%程度である。本明細書における各濃度は、室温における値でよい。室温における値は、一例として300K(ケルビン)(約26.9℃)のときの値を用いてよい。 The donor or acceptor concentration calculated from the carrier concentration measured by the CV method or the SR method may be lower than the chemical concentration of the element representing the donor or acceptor. As an example, the donor concentration of phosphorus or arsenic, which acts as a donor in a silicon semiconductor, or the acceptor concentration of boron, which acts as an acceptor, is about 99% of the chemical concentration. On the other hand, the donor concentration of hydrogen, which acts as a donor in a silicon semiconductor, is about 0.1% to 10% of the chemical concentration of hydrogen. The concentrations in this specification may be values at room temperature. As an example, values at 300 K (Kelvin) (about 26.9° C.) may be used as the values at room temperature.
イオンまたは電子等の荷電粒子を所定の加速エネルギーで半導体基板に注入した場合、これらの粒子は深さ方向において所定の分布を有する。本明細書では、当該分布のピーク位置を、当該粒子が注入された位置、または、注入された深さ等と称する場合がある。 When charged particles such as ions or electrons are implanted into a semiconductor substrate with a predetermined acceleration energy, these particles have a predetermined distribution in the depth direction. In this specification, the peak position of the distribution may be referred to as the position where the particles are implanted, the implantation depth, etc.
図1は、半導体装置100の製造方法の一例を示す断面図である。半導体装置100は半導体基板10を備える。半導体基板10は、半導体材料で形成された基板である。一例として半導体基板10はシリコン基板である。
Figure 1 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing method for a
半導体基板10には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)等のトランジスタ素子、および、還流ダイオード(FWD)等のダイオード素子の少なくとも一方が形成される。図1においては、トランジスタ素子およびダイオード素子の各電極、半導体基板10の内部に設けられた各領域を省略している。トランジスタ素子およびダイオード素子の構成例は後述する。
At least one of a transistor element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a diode element such as a free wheel diode (FWD) is formed on the
本例の半導体基板10は、N型のバルク・ドナーが全体に分布している。バルク・ドナーは、半導体基板10の元となるインゴットの製造時に、インゴット内に略一様に含まれたドーパントによるドナーである。本例のバルク・ドナーは、水素以外の元素である。バルク・ドナーのドーパントは、例えばリン、アンチモン、ヒ素、セレンまたは硫黄であるが、これに限定されない。本例のバルク・ドナーは、リンである。バルク・ドナーは、P型の領域にも含まれている。半導体基板10は、半導体のインゴットから切り出したウエハであってよく、ウエハを個片化したチップであってもよい。半導体のインゴットは、チョクラルスキー法(CZ法)、磁場印加型チョクラルスキー法(MCZ法)、フロートゾーン法(FZ法)のいずれかで製造されよい。本例におけるインゴットは、MCZ法で製造されている。MCZ法で製造された基板に含まれる酸素濃度は1×1017~7×1017/cm3である。FZ法で製造された基板に含まれる酸素濃度は1×1015~5×1016/cm3である。酸素濃度が高い方が水素ドナーが生成しやすい傾向がある。バルク・ドナー濃度は、半導体基板10の全体に分布しているバルク・ドナーの化学濃度を用いてよく、当該化学濃度の90%から100%の間の値であってもよい。また、半導体基板10は、リン等のドーパントを含まないノンドープ基板を用いてもよい。その場合、ノンドーピング基板のバルク・ドナー濃度は例えば1×1010/cm3以上、5×1012/cm3以下である。ノンドーピング基板のバルク・ドナー濃度は、好ましくは1×1011/cm3以上である。ノンドーピング基板のバルク・ドナー濃度は、好ましくは5×1012/cm3以下である。
In the
半導体基板10は、上面21および下面23を有する。上面21および下面23は、半導体基板10の2つの主面である。本明細書では、上面21および下面23と平行な面における直交軸をX軸およびY軸、上面21および下面23と垂直な軸をZ軸とする。
The
半導体基板10の下面23側(即ち、下面23と、深さ方向の中央位置Zcとの間の領域)には、N型のバッファ領域20が設けられる。バッファ領域20と下面23との間には、下面領域201が設けられる。下面領域201は、後述する高濃度領域150よりもドーピング濃度の高い、N型またはP型の領域である。下面領域201は、後述するカソード領域またはコレクタ領域であってよい。バッファ領域20は、半導体基板10の上面21側から広がる空乏層が、下面領域201に到達すること(パンチスルー)を抑制する。
An N-
バッファ領域20は、半導体基板10の深さ方向において複数のドーピング濃度ピーク111を有する。図1の例では、下面23側から順番に、ドーピング濃度ピーク111-1、111-2、111-3および111-4を有する。複数のドーピング濃度ピーク111を設けることで、上述した空乏層が、下面領域201まで広がることを抑制できる。本明細書では、ドーピング濃度ピーク111-1を、最浅ドーピング濃度ピークと称する場合がある。ドーピング濃度ピーク111-1は、他のドーピング濃度ピーク111よりもドーピング濃度が高い。バッファ領域20は、水素ドナーを含んでよい。
The
本例の製造方法においては、バッファ領域20の複数のドーピング濃度ピークを、2つの段階に分けて形成する。第1段階S1001において、半導体基板10の下面23から第2の深さ位置Z2に荷電粒子を注入する。荷電粒子は、例えば水素イオン、ヘリウムイオン、電子等である。本例の半導体基板10は、第2の深さ位置Z2に、水素またはヘリウム等の不純物化学濃度ピーク141を有する。なお第2の深さ位置Z2は、上面21よりも上側の位置であってもよい。つまり、荷電粒子は、半導体基板10を貫通するように注入されてもよい。
In the manufacturing method of this example, the multiple doping concentration peaks of the
深さ位置とは、半導体基板10の深さ方向(Z軸方向)における位置である。本明細書では、下面23から各位置までの距離を、各位置の深さ位置と称する場合がある。例えば、第2の深さ位置Z2は、下面23からの距離がZ2である。第2の深さ位置Z2は、半導体基板10の上面21側(即ち、上面21と、深さ方向の中央位置Zcとの間の領域)に配置されていてよい。
The depth position is a position in the depth direction (Z-axis direction) of the
荷電粒子が半導体基板10の内部を通過する平均距離(飛程とも称される)は、荷電粒子を加速する加速エネルギーにより制御できる。本例においては、荷電粒子の平均飛程が距離Z2となるように、加速エネルギーが設定される。荷電粒子の平均飛程Z2は、半導体基板10の深さ方向の厚みの半分より大きくてよい。
The average distance (also called the range) that the charged particles travel inside the
本明細書では、注入された荷電粒子が通過した領域を通過領域106と称する場合がある。図1の例では、半導体基板10の下面23から第2の深さ位置Z2までが通過領域106である。図1の例では、半導体基板10の下面23の全体から荷電粒子を注入している。他の例では、下面23の一部の領域だけに荷電粒子を注入してよい。これにより、XY面において局所的に通過領域106を形成することもできる。
In this specification, the region through which the injected charged particles pass may be referred to as the passing
また、第1段階S1001においては、半導体基板10の下面23から第1の深さ位置Z1に、プロトン等の水素イオンを注入する。水素イオンを注入した後に、半導体基板10の全体をアニールする。これにより、第1の深さ位置Z1には、水素ドナーによるドーピング濃度ピーク111-1が形成される。なおアニール時には、第1の深さ位置Z1と、第2の深さ位置Z2との間には、上述した水素イオンおよび荷電粒子以外には、不純物イオンが局所的に注入されていない。
In the first step S1001, hydrogen ions such as protons are implanted from the
半導体基板10において荷電粒子が通過した通過領域106には、荷電粒子が通過したことにより、単原子空孔(V)、複原子空孔(VV)等の、空孔を主体とする格子欠陥が形成されている。空孔に隣接する原子は、ダングリング・ボンドを有する。格子欠陥には格子間原子や転位等も含まれ、広義ではドナーやアクセプタも含まれ得るが、本明細書では空孔を主体とする格子欠陥を空孔型格子欠陥、空孔型欠陥、あるいは単に格子欠陥と称する場合がある。また、半導体基板10への荷電粒子注入により、格子欠陥が多く形成されることで、半導体基板10の結晶性が強く乱れることがある。本明細書では、この結晶性の乱れをディスオーダーと称する場合がある。
In the
また、半導体基板10の全体には酸素が含まれる。当該酸素は、半導体のインゴットの製造時において、意図的にまたは意図せずに導入される。半導体基板10の内部では、水素(H)、空孔(V)および酸素(O)が結合し、VOH欠陥が形成される。また、半導体基板10を熱処理することで第1の深さ位置Z1に注入した水素が拡散し、VOH欠陥の形成が促進される。第2の深さ位置Z2に注入した荷電粒子が水素イオンの場合、第2の深さ位置Z2からも水素が拡散し、VOH欠陥の形成が更に促進される。
The
VOH欠陥は、電子を供給するドナーとして機能する。本明細書では、VOH欠陥を単に水素ドナーと称する場合がある。本例では、荷電粒子の通過領域106に水素ドナーが形成される。水素ドナーのドーピング濃度は、水素の化学濃度よりも低い。水素の化学濃度に対する水素ドナーのドーピング濃度の割合を活性化率とすると、活性化率は0.1%~30%の値であってよい。本例では、活性化率は1%~5%である。
The VOH defect functions as a donor that supplies electrons. In this specification, the VOH defect may be simply referred to as a hydrogen donor. In this example, the hydrogen donor is formed in the charged
半導体基板10の通過領域106に水素ドナーを形成することで、通過領域106におけるドナー濃度を、バルク・ドナー濃度よりも高くできる。通常は、半導体基板10に形成すべき素子の特性、特に定格電圧または耐圧に対応させて、所定のバルク・ドナー濃度を有する半導体基板10を準備しなければならない。これに対して、図1に示した半導体装置100によれば、荷電粒子および水素イオンのドーズ量を制御することで、半導体基板10のドナー濃度を調整できる。このため、素子の特性等に対応していないバルク・ドナー濃度の半導体基板10を用いて、半導体装置100を製造できる。半導体基板10の製造時におけるバルク・ドナー濃度のバラツキは比較的に大きいが、荷電粒子および水素イオンのドーズ量は比較的に高精度に制御できる。このため、荷電粒子を注入することで生じる格子欠陥の濃度も高精度に制御でき、また、格子欠陥と結合する水素濃度も高精度に制御できる。従って、通過領域106のドナー濃度を高精度に制御できる。
By forming hydrogen donors in the passing
また、第1の深さ位置Z1に注入した水素は、上面21に向かって、より遠い位置まで拡散することが好ましい。これにより、通過領域106のZ軸方向における長さを大きくでき、半導体基板10の広い領域に渡ってドーピング濃度を調整しやすくなる。
In addition, it is preferable that the hydrogen implanted at the first depth position Z1 diffuses to a position farther toward the
第1の深さ位置Z1と、第2の深さ位置Z2との間に、上述した水素イオンおよび荷電粒子以外の不純物が注入されると、当該注入位置の近傍には格子欠陥が多く形成される。格子欠陥が多く形成された領域では、水素イオンの拡散が抑制される。このため、第1の深さ位置Z1と、第2の深さ位置Z2との間に、高密度の格子欠陥を有する領域が存在すると、水素の拡散が抑制されてしまう。 When impurities other than the hydrogen ions and charged particles described above are implanted between the first depth position Z1 and the second depth position Z2, many lattice defects are formed near the implantation position. In the region where many lattice defects are formed, the diffusion of hydrogen ions is suppressed. Therefore, if a region with a high density of lattice defects exists between the first depth position Z1 and the second depth position Z2, the diffusion of hydrogen is suppressed.
本例では、第1の深さ位置Z1に注入した水素を通過領域106に拡散させた第1段階S1001の後に、第2段階S1002において、他のドーピング濃度ピーク111-2、111-3、111-4を形成する。つまり、第2段階S1002では、第1の深さ位置Z1と第2の深さ位置Z2との間の1つ以上の深さ位置に、水素イオン等のN型ドーパントを注入してアニールする。これにより、ドーピング濃度ピーク111-2、111-3、111-4が形成される。このように、第1の深さ位置Z1に注入した水素を拡散させた後に、ドーピング濃度ピーク111-2、111-3、111-4を形成することで、水素をより深い位置まで拡散させることと、バッファ領域20に複数のドーピング濃度ピーク111を設けることとを両立できる。
In this example, after the first stage S1001 in which hydrogen injected into the first depth position Z1 is diffused into the
図2は、図1のA-A線に示した位置における、深さ方向の格子欠陥密度DV、水素化学濃度CH、ドーピング濃度Ddおよび不純物化学濃度CIの各分布を示している。本例の不純物はヘリウムまたは水素である。図2の横軸は、下面23からの深さ位置を示しており、縦軸は、単位体積当たりの水素化学濃度、ドナー濃度および不純物化学濃度を対数軸で示している。図2の分布のうち、格子欠陥密度DVは、図1に示した第1段階S1001のアニール開始時における分布である。格子欠陥以外の濃度は、図1に示した第2段階S1002のアニール後の分布を示している。
2 shows the distributions of the lattice defect density D V , hydrogen chemical concentration C H , doping concentration D d and impurity chemical concentration C I in the depth direction at the position shown by the line A-A in FIG. 1. The impurity in this example is helium or hydrogen. The horizontal axis of FIG. 2 shows the depth position from the
図2における水素化学濃度および不純物化学濃度は、例えばSIMS法で計測される。図2におけるドーピング濃度は、例えばCV法またはSR法で計測される、電気的に活性化したドーピング濃度である。 The hydrogen chemical concentration and impurity chemical concentration in FIG. 2 are measured, for example, by the SIMS method. The doping concentration in FIG. 2 is an electrically activated doping concentration measured, for example, by the CV method or the SR method.
本例の水素化学濃度CHは、第1の深さ位置Z1に水素化学濃度ピーク131-1を有する。水素化学濃度ピーク131は、第1の深さ位置Z1において極大値を示している。また、水素化学濃度CHは、第3の深さ位置Z3に水素化学濃度ピーク131を有する。第3の深さ位置Z3は、複数配置されていてもよい。図2の例では、第3の深さ位置Z3-1、Z3-2、Z3-3が配置されている。それぞれの第3の深さ位置Z3に、水素化学濃度ピーク131が配置されている。水素化学濃度ピーク131-2~131-4は、図1の第2段階S1002で注入された水素イオンによるピークである。
In this example, the hydrogen chemical concentration C H has a hydrogen chemical concentration peak 131-1 at the first depth position Z1. The hydrogen
本例の不純物化学濃度CIは、第2の深さ位置Z2に不純物化学濃度ピーク141を有する。不純物化学濃度ピーク141は、第2の深さ位置Z2において極大値を示している。
The impurity chemical concentration C I in this example has an impurity
ドーピング濃度Ddは、複数のドーピング濃度ピーク111と、ドーピング濃度ピーク121を有する。本例では、第1の深さ位置Z1と、それぞれの第3の深さ位置Z3にドーピング濃度ピーク111が配置されている。また、ドーピング濃度Ddは、下面領域201においてドーピング濃度ピークを有してよい。本例の下面領域201は、P型のドーピング濃度ピークを有している。下面領域201には、ボロン(ホウ素)等のP型ドーパントが注入されていてよい。他の例では、下面領域201は、N型のドーピング濃度ピークを有してよい。この場合、下面領域201には、リン等のN型ドーパントが注入されていてよい。
The doping concentration Dd has a plurality of doping concentration peaks 111 and a
本例のドーピング濃度ピーク111は、第1の深さ位置Z1と、第3の深さ位置Z3に水素イオンが注入されたことによる格子欠陥と、水素とが結合した水素ドナー(VOH欠陥)の濃度ピークである。このため、ドーピング濃度ピーク111は、第1の深さ位置Z1と、それぞれの第3の深さ位置Z3において極大値を示している。
In this example, the
ドーピング濃度ピーク121は、第2の深さ位置Z2に荷電粒子が注入されたことによる格子欠陥と、第1の深さ位置Z1から拡散した水素が結合した水素ドナーの濃度ピークである。このため、ドーピング濃度ピーク121は、第2の深さ位置Z2において極大値を示している。
The
なお、ドーピング濃度ピーク111-1が極大値を示す位置は、第1の深さ位置Z1と厳密に一致していなくともよい。例えば、第1の深さ位置Z1を基準とした第1の水素化学濃度ピーク131の半値全幅の範囲内に、ドーピング濃度ピーク111-1が極大値を示す位置が含まれていれば、ドーピング濃度ピーク111-1が実質的に第1の深さ位置Z1に配置されているとしてよい。同様に、第2の深さ位置Z2を基準とした不純物化学濃度ピーク141の半値全幅の範囲内に、ドーピング濃度ピーク121が極大値を示す位置が含まれていれば、ドーピング濃度ピーク121が実質的に第2の深さ位置Z2に配置されているとしてよい。同様に、第3の深さ位置Z3を基準とした水素化学濃度ピーク131の半値全幅の範囲内に、ドーピング濃度ピーク111が極大値を示す位置が含まれていれば、ドーピング濃度ピーク111が実質的に第3の深さ位置Z3に配置されているとしてよい。
The position where the doping concentration peak 111-1 shows the maximum value does not have to strictly coincide with the first depth position Z1. For example, if the position where the doping concentration peak 111-1 shows the maximum value is included within the full width at half maximum range of the first hydrogen
また、ドーピング濃度ピーク111-1が、下面領域201のドーピング濃度ピークと重なって、ドーピング濃度ピーク111-1が判別しにくい場合には、水素化学濃度ピーク131-1の頂点の深さ位置Z1におけるドーピング濃度を、ドーピング濃度ピーク111-1としてもよい。
In addition, if the doping concentration peak 111-1 overlaps with the doping concentration peak of the
それぞれの濃度ピークは、頂点から下面23に向かって濃度が減少する下側裾と、頂点から上面21に向かって濃度が減少する上側裾とを有する。本例では、水素化学濃度ピーク131は下側裾132および上側裾133を有する。不純物化学濃度ピーク141は下側裾142および上側裾143を有する。ドーピング濃度ピーク111は下側裾112および上側裾113を有する。ドーピング濃度ピーク121は下側裾122および上側裾123を有する。
Each concentration peak has a lower foot where the concentration decreases from the apex towards the
第1の深さ位置Z1および第3の深さ位置Z3には、下面23から水素イオンが注入されるので、水素は第1の深さ位置Z1と下面23との間、および、第3の深さ位置Z3と下面23との間にも比較的に多く存在する。同様に、第2の深さ位置Z1と下面23との間に、荷電粒子として注入された不純物が多く存在する。このため、各化学濃度分布における各濃度ピークにおいて、下側裾よりも上側裾のほうが、急峻に濃度が減少してよい。また、ドーピング濃度は、水素化学濃度または不純物化学濃度に依存するので、各ドーピング濃度ピークにおいても、下側裾よりも上側裾のほうが、急峻に濃度が減少してよい。
Hydrogen ions are implanted from the
第1段階S1001のアニール開始時において、第1の深さ位置Z1および第2の深さ位置Z2の近傍には、水素イオンまたは荷電粒子が注入されたことにより、比較的に多くの格子欠陥が形成される。このため、格子欠陥濃度DVは、第1の深さ位置Z1に第1の欠陥密度ピーク211を有し、第2の深さ位置Z2に第2の欠陥密度ピーク212を有する。また、第2の深さ位置Z2から下面23までの通過領域106(図1参照)には、第1の深さ位置Z1および第2の深さ位置Z2の近傍を除き、荷電粒子が通過したことにより生じる格子欠陥が、ほぼ一様な密度で形成される。図2の格子欠陥密度DVの分布図において点線で示すように、格子欠陥濃度DVは、ピーク212を超えない範囲で、ピーク212に向かってなだらかに増加してよい。このように格子欠陥濃度DVがピーク212に向かって増加する場合も、荷電粒子が通過したことにより生じる格子欠陥が、ほぼ一様な密度で形成されるとしてよい。
At the start of the annealing in the first step S1001, a relatively large number of lattice defects are formed in the vicinity of the first depth position Z1 and the second depth position Z2 due to the implantation of hydrogen ions or charged particles. Therefore, the lattice defect concentration DV has a first
第1の深さ位置Z1に注入された水素は、アニール処理により上面21に向かって拡散する。第1段階S1001のアニール開始時には、第3の深さ位置Z3に水素イオンが注入されていない。このため、第1の深さ位置Z1と第2の深さ位置Z2との間には、第1の欠陥密度ピーク211および第2の欠陥密度ピーク212以外の欠陥密度ピークが存在しない。従って、第1の深さ位置Z1から第2の深さ位置Z2まで水素が拡散しやすくなる。通過領域106において一定以上の濃度の水素が拡散した領域ではVOH欠陥(水素ドナー)が形成され、水素ドナーを含む高濃度領域150が形成される。高濃度領域150は、ドナー濃度が、バルク・ドナー濃度Dbよりも高い領域である。高濃度領域150は、バッファ領域20と、半導体基板10の上面21との間に配置されている。
The hydrogen implanted at the first depth position Z1 diffuses toward the
高濃度領域150は、深さ方向においてほぼ一様なドーピング濃度の領域であってよい。ドーピング濃度が深さ方向においてほぼ一様とは、例えば、ドーピング濃度の最大値と最小値との差分がドーピング濃度の最大値の50%以内である領域が、深さ方向に連続している状態を指してよい。当該差分は、当該領域のドーピング濃度の最大値の30%以下であってよく、10%以下であってもよい。
The
あるいは、深さ方向の所定範囲におけるドーピング濃度分布の平均濃度に対して、ドーピング濃度分布の値が、当該ドーピング濃度分布の平均濃度の±50%以内にあってよく、±30%以内にあってよく、±10%以内にあってよい。深さ方向の所定範囲Wは、一例として以下の通りでよい。つまり、第1の深さ位置Z1から第2の深さ位置Z2までの長さをZLとして、Z1とZ2との間の中心Z12cから、第1の深さ位置Z1側および第2の深さ位置Z2側にそれぞれ0.25ZL離れた2点間の長さ0.5ZLの区間を当該範囲としてよい。高濃度領域150の長さに応じて、所定範囲の長さを0.75ZLとしてもよく、0.3ZLとしてもよく、0.9ZLとしてもよい。バッファ領域20の上面21側の端部位置は、高濃度領域150においてほぼ一様なドーピング濃度が、ドーピング濃度ピーク111-1に向かって、単調に増加し始める深さ位置であってもよい。
Alternatively, the value of the doping concentration distribution may be within ±50%, ±30%, or ±10% of the average concentration of the doping concentration distribution in a predetermined range in the depth direction. The predetermined range W in the depth direction may be as follows, for example. That is, the length from the first depth position Z1 to the second depth position Z2 is ZL , and the range may be a section of 0.5ZL between two points 0.25ZL away from the center Z12c between Z1 and Z2 on the first depth position Z1 side and the second depth position Z2 side. Depending on the length of the
また、第1段階S1001のアニール開始時は、第1の深さ位置Z1および第2の深さ位置Z2の間には、ドーピング濃度ピーク111-1およびドーピング濃度ピーク121以外のドーピング濃度ピークが存在しないことが好ましい。また、第1の深さ位置Z1および第2の深さ位置Z2の間には、水素化学濃度ピーク131-1および不純物化学濃度ピーク141以外の化学濃度ピークが存在しないことが好ましい。これにより、第1の深さ位置Z1から第2の深さ位置Z2まで水素が拡散しやすくなる。
In addition, at the start of annealing in the first stage S1001, it is preferable that there are no doping concentration peaks other than doping concentration peak 111-1 and
水素が拡散しやすくなることで、高濃度領域150を深さ方向に長く形成しやすくなる。高濃度領域150は、ドーピング濃度ピーク111-1と接する位置から、不純物化学濃度ピーク141まで連続して設けられていてよい。高濃度領域150は、バッファ領域20の上端から、第2の深さ位置Z2まで連続して設けられていてよい。
By facilitating hydrogen diffusion, it becomes easier to form the
高濃度領域150の深さ方向における長さは、半導体基板10の深さ方向における厚みの40%以上であってよく、50%以上であってよく、60%以上であってよく、70%以上であってよく、80%以上であってもよい。高濃度領域150の長さは、バッファ領域20の上端から、高濃度領域150の上端までの長さL1であってよく、ドーピング濃度ピーク111-1の位置Z1から、高濃度領域150の上端までの長さL2であってもよい。高濃度領域150の上端は、深さ位置Z2であってよい。また、高濃度領域150の深さ方向における長さは、50μm以上であってよく、60μm以上であってよく、70μm以上であってよく、80μm以上であってよく、90μm以上であってよく、100μm以上であってもよい。本例では、第2の深さ位置Z2まで水素が拡散しやすいので、高濃度領域150が形成される範囲を、第2の深さ位置Z2で規定しやすくなる。
The length of the
高濃度領域150のドナー濃度の最小値は、半導体基板10のバルク・ドナー濃度Dbより高い。つまり、高濃度領域150のドナー濃度(またはドーピング濃度)は、高濃度領域150の全体にわたって、バルク・ドナー濃度Dbより高い。高濃度領域150のドナー濃度は、バルク・ドナー濃度と、水素ドナー濃度(VOH欠陥濃度)との和で定まる。水素ドナー濃度は、第2の深さ位置Z2に対する荷電粒子のドーズ量、および、第1の深さ位置Z1に対する水素イオンのドーズ量で精度よく制御できる。このため、バルク・ドナー濃度に比べて水素ドナー濃度を十分高くすることで、バルク・ドナー濃度がばらついた場合でも、高濃度領域150のドナー濃度のばらつきを低減できる。高濃度領域150のドナー濃度は、バルク・ドナー濃度Dbの2倍以上であってよく、5倍以上であってよく、10倍以上であってもよい。
The minimum value of the donor concentration of the
図3は、比較例に係る格子欠陥密度DV、水素化学濃度CH、ドーピング濃度Ddおよび不純物化学濃度CIの各分布を示している。比較例の半導体装置は、第1の深さ位置Z1およびそれぞれの第3の深さ位置Z3に水素イオンを注入してから、半導体基板10をアニールして第1の深さ位置Z1に注入した水素を拡散させる。
3 shows the distributions of the lattice defect density D V , the hydrogen chemical concentration C H , the doping concentration D d and the impurity chemical concentration C I according to the comparative example. In the semiconductor device of the comparative example, hydrogen ions are implanted into the first depth position Z1 and each of the third depth positions Z3, and then the
本例の格子欠陥密度DVは、水素イオンを拡散させるアニールの開始時に、それぞれの第3の深さ位置Z3に欠陥密度ピーク213を有する。つまり、第1の深さ位置Z1と、第2の深さ位置Z2との間に、1つ以上の欠陥密度ピーク213が設けられている。このため、第1の深さ位置Z1に注入された水素の拡散は、欠陥密度ピーク213により阻害されてしまう。例えば、水素が格子欠陥と結合し、または、格子欠陥が存在することで水素の移動が妨げられる。
The lattice defect density DV of this example has a
このため図3の例では、第2の深さ位置Z2まで水素が十分に拡散しない。この場合、第2の深さ位置Z2まで高濃度領域150が形成されずに、ドナー濃度が低い低濃度領域181が残存してしまう。低濃度領域181のドナー濃度は、バルク・ドナー濃度Dbと同程度であってよい。また、低濃度領域181に格子欠陥が多く残存している場合には、低濃度領域181のキャリア濃度は、バルク・ドナー濃度Dbより低い場合もある。低濃度領域181には、水素ドナーがほとんど形成されないので、低濃度領域181のドナー濃度は、バルク・ドナー濃度の影響が大きくなる。このため、低濃度領域181のドナー濃度は、比較的にばらつきが大きくなってしまう。また、ドーピング濃度分布に谷状の部分が出来てしまうので、半導体装置100の特性に影響を与える場合がある。これに対して図2に示した半導体装置100によれば、高濃度領域150を広く形成できるので、ドーピング濃度のばらつきを抑制でき、また、半導体装置100の特性を精度よく調整できる。
Therefore, in the example of FIG. 3, hydrogen does not sufficiently diffuse up to the second depth position Z2. In this case, the
なお、バッファ領域20において、最も上面21に近い水素化学濃度ピーク131-4を高濃度にすることも考えられる。これにより上面21に近い位置まで水素を拡散しやすくなる。ただし、上面21に近い水素化学濃度ピーク131-4を高濃度にすると、エミッタ・コレクタ間電圧が比較的に高い状態で、空乏層が高濃度のドーピング濃度ピーク111-4に到達することになり、アバランシェ耐量が低下する場合がある。図2に示した例によれば、高濃度のドーピング濃度ピーク111-1を下面23の近傍に配置してアバランシェ耐量の低下を抑制しつつ、高濃度領域150を上面21の近傍まで形成できる。第1の深さ位置Z1と下面23との距離は、5μm以下であってよく、3μm以下であってもよい。
In the
図4は、バッファ領域20の近傍における、水素化学濃度CHおよびドーピング濃度Ddの分布を示す図である。本例では、ドーピング濃度ピーク111-1のピーク濃度をA、ドーピング濃度ピーク111-2のピーク濃度をB2、ドーピング濃度ピーク111-3のピーク濃度をB3、ドーピング濃度ピーク111-4のピーク濃度をB4とする。また、水素化学濃度ピーク131-1のピーク濃度をH1-1、水素化学濃度ピーク131-2のピーク濃度をH1-2、水素化学濃度ピーク131-3のピーク濃度をH1-3、水素化学濃度ピーク131-4のピーク濃度をH1-4とする。
4 is a diagram showing the distribution of hydrogen chemical concentration C H and doping concentration D d in the vicinity of the
ドーピング濃度ピーク111-1のピーク濃度Aと、他のドーピング濃度ピーク111の平均ピーク濃度B(本例では、(B2+B3+B4)/3)との比A/Bは、200以下である。平均ピーク濃度Bを、10{log10(B2)+log10(B2)+log10(B2)}/3としてもよい。半導体装置100においては、第1の深さ位置Z1に注入した水素が上面21側に拡散しやすいので、ピーク濃度Aを低くしても、高濃度領域150を長い範囲に渡って形成できる。また、ピーク濃度Aを小さくすることで、上面21側からの空乏層がドーピング濃度111-1に到達したときの裏面アバランシェの発生を抑制できる。比A/Bは、100以下であってよく、30以下であってよく、20以下であってよく、10以下であってよく、8以下であってよく、5以下であってもよい。ただし、ドーピング濃度ピーク111-1のピーク濃度Aが低すぎると、水素が十分に拡散できない場合がある。比A/Bは、2以上であってよく、3以上であってよく、5以上であってよく、10以上であってもよい。ピーク濃度Aは、1×1016/cm3以下であってよく、5×1015/cm3以下であってよく、1×1015/cm3以下であってもよい。
The ratio A/B of the peak concentration A of the doping concentration peak 111-1 to the average peak concentration B (in this example, (B2+B3+B4)/3) of the other doping concentration peaks 111 is 200 or less. The average peak concentration B may be 10 {log10(B2)+log10(B2)+log10(B2)}/3 . In the
また、水素化学濃度ピーク131-1のピーク濃度H1-1と、他の水素化学濃度ピーク131の平均ピーク濃度HA(本例では、(H1-2+H1-3+H1-4)/3)との比H1-1/HAも200以下であってよい。比H1-1/HAは、100以下であってよく、30以下であってよく、20以下であってよく、10以下であってよく、8以下であってよく、5以下であってもよい。比H1-1/HAは、2以上であってよく、3以上であってよく、5以上であってよく、10以上であってもよい。 The ratio H1-1/HA of the peak concentration H1-1 of hydrogen chemical concentration peak 131-1 to the average peak concentration HA of the other hydrogen chemical concentration peaks 131 (in this example, (H1-2+H1-3+H1-4)/3) may also be 200 or less. The ratio H1-1/HA may be 100 or less, 30 or less, 20 or less, 10 or less, 8 or less, or 5 or less. The ratio H1-1/HA may be 2 or more, 3 or more, 5 or more, or 10 or more.
また、第1の深さ位置Z1への水素イオンのドーズ量(ions/cm2)をC、それぞれの第3の深さ位置Z3への水素イオンの総ドーズ量Dとする。ドーズ量Cは、ドーピング濃度ピーク111-1に対応するドーズ量であり、ドーズ量Dは、他のドーピング濃度ピーク111に対応するドーズ量である。それぞれのドーピング濃度ピーク111に対応するドーズ量は、それぞれのドーピング濃度ピーク111の半値全幅の範囲で、水素化学濃度CHを積分した値を用いてよい。
The dose (ions/cm 2 ) of hydrogen ions at the first depth position Z1 is denoted by C, and the total dose of hydrogen ions at each of the third depth positions Z3 is denoted by D. The dose C is the dose corresponding to the doping concentration peak 111-1, and the dose D is the dose corresponding to the other doping concentration peaks 111. The dose corresponding to each
ドーズ量Cと総ドーズ量Dとの比C/Dは、6以上、100以下であってよい。これにより、高濃度領域150の長さを確保しつつ、裏面アバランシェの発生を抑制しやすくなる。比C/Dは、10以上であってもよい。比C/Dは、30以下であってもよい。
The ratio C/D of the dose amount C to the total dose amount D may be 6 or more and 100 or less. This makes it easier to suppress the occurrence of back surface avalanche while ensuring the length of the
図5Aは、半導体装置100の製造方法の一例を示すフローチャートである。まず、上面側構造形成段階S500において、半導体基板10の上面21側の構造を形成する。上面21側の構造とは、後述するゲートトレンチ、ダミートレンチ、エミッタ領域、ベース領域、蓄積領域、層間絶縁膜、エミッタ電極およびゲート配線の少なくとも一部を含む。上面側構造形成段階S500では、これらの全ての構造を形成してもよい。
Figure 5A is a flowchart showing an example of a method for manufacturing the
次に研削段階S502において、半導体基板10の下面23側を研削して、半導体基板10の厚みを調整する。研削段階S502においては、半導体装置100が有するべき耐圧に応じて、半導体基板10の厚みを調整してよい。
Next, in the grinding step S502, the
次に下面領域形成段階S504において、半導体基板10の下面23と接する領域に下面領域201を形成する。下面領域形成段階S504では、N型ドーパントまたはP型ドーパントを下面23から注入し、下面23の近傍をレーザー等により局所アニールすることで、下面領域201を形成してよい。
Next, in the lower surface region forming step S504, the
次に、第1注入段階S505において、荷電粒子および水素イオンを半導体基板10に注入する。第1注入段階S505は、荷電粒子注入段階S506および水素注入段階S508を有する。荷電粒子注入段階S506において、半導体基板10の下面23から、第2の深さ位置Z2に荷電粒子を注入する。第2の深さ位置Z2は、第1の深さ位置Z1よりも上面21に近い位置である。荷電粒子は水素イオン、ヘリウムイオン、または、電子線であってよい。また、水素注入段階S508において、半導体基板10の下面23から、第1の深さ位置Z1に水素イオンを注入する。水素注入段階S508においては、第2の深さ位置Z2と第1の深さ位置Z1との間の領域において、水素化学濃度分布が単一のピークを有するように、第1の位置Z1に水素イオンを注入してよい。なお、第2の深さ位置Z2に水素イオンを注入する場合、第2の深さ位置Z2には水素化学濃度のピークが存在してよい。荷電粒子注入段階S506および水素注入段階S508は、いずれを先に行ってもよい。
Next, in the first implantation step S505, charged particles and hydrogen ions are implanted into the
次に、第1アニール段階S510において、半導体基板10をアニールする。第1注入段階S505および第1アニール段階S510は、図1における第1段階S1001に対応している。第1アニール段階S510においては、半導体基板10をアニール炉に投入し、半導体基板10の全体をアニールする。第1アニール段階S510により、第1の深さ位置Z1と第2の深さ位置Z2の間に、高濃度領域150を形成する。第1アニール段階S510は、第1の深さ位置Z1に注入した水素が、第2の深さ位置Z2まで拡散できる条件で行うことが好ましい。例えばアニール段階S510のアニール温度は、350℃以上、400℃以下である。アニール温度は、360℃以上であってよく、380℃以下であってもよい。第1アニール段階S510におけるアニール時間は、30分以上であってよく、1時間以上であってよく、3時間以上であってもよい。アニール時間は10時間以下であってよく、7時間以下であってもよい。
Next, in the first annealing step S510, the
次に、第2注入段階S512において、第3の深さ位置Z3に水素等のN型ドーパントを注入する。図2等において説明したように、第3の深さ位置Z3は、深さ方向において1箇所以上配置されていてよい。第1の深さ位置Z1およびそれぞれの第3の深さ位置Z3は、半導体基板10の下面23側に配置されてよい。第2の深さ位置Z2は、半導体基板10の上面21側に配置されてよい。
Next, in the second implantation step S512, an N-type dopant such as hydrogen is implanted at the third depth position Z3. As described in FIG. 2 and the like, the third depth position Z3 may be located at one or more locations in the depth direction. The first depth position Z1 and each of the third depth positions Z3 may be located on the
次に、第2アニール段階S514において、半導体基板10をアニールする。第2注入段階S512および第2アニール段階S514は、図1における第2段階S1002に対応している。第2アニール段階S514においては、半導体基板10をアニール炉に投入し、半導体基板10の全体をアニールしてよい。第2アニール段階S514により、第3の深さ位置Z3に注入したN型ドーパントを活性化させて、1つ以上のドーピング濃度ピーク111を形成する。第2アニール段階S514におけるアニール条件は、第1アニール段階S510と同様である。つまり、第2アニール段階S514のアニール温度は、350℃以上、400℃以下であってよい。アニール温度は、360℃以上であってよく、380℃以下であってもよい。第2アニール段階S514におけるアニール時間は、30分以上であってよく、1時間以上であってよく、3時間以上であってもよい。アニール時間は10時間以下であってよく、7時間以下であってもよい。
Next, in the second annealing step S514, the
第2アニール段階S514のアニール温度T2と、第1アニール段階S510のアニール温度T1の差は10℃以下であってよい。アニール温度の差は、5℃以下であってよく、0であってもよい。アニール温度T1およびT2は、アニール温度の差が上記を満たす条件において、T1=T2であってよく、T2<T1であってよく、T2>T1であってもよい。本例ではT1=T2である。また、第2アニール段階S514と、第1アニール段階S510のアニール時間の差は、大きい方のアニール時間の10%以下であってよく、5%以下であってよく、0であってもよい。第2アニール段階S514を第1アニール段階S510のアニール条件と同等にすることで、第1アニール段階S510で形成した水素ドナーの消失を抑制できる。 The difference between the annealing temperature T2 in the second annealing step S514 and the annealing temperature T1 in the first annealing step S510 may be 10°C or less. The difference in the annealing temperature may be 5°C or less, or may be 0. The annealing temperatures T1 and T2 may be T1=T2, T2<T1, or T2>T1, under the condition that the difference in the annealing temperature satisfies the above. In this example, T1=T2. The difference in the annealing time between the second annealing step S514 and the first annealing step S510 may be 10% or less of the larger annealing time, 5% or less, or may be 0. By making the annealing conditions of the second annealing step S514 equivalent to those of the first annealing step S510, the disappearance of the hydrogen donors formed in the first annealing step S510 can be suppressed.
下面側電極形成段階S520において、半導体基板10の下面23に金属電極を形成する。当該金属電極は、後述するコレクタ電極であってよい。また、第2アニール段階S514と下面側電極形成段階S520との間に、ライフタイムキラー形成段階S516と、第3アニール段階S518を有してもよい。
In the lower electrode formation step S520, a metal electrode is formed on the
ライフタイムキラー形成段階S516は、半導体基板10にヘリウム等の不純物を注入することで、格子欠陥を局所的に形成する。当該不純物は、半導体基板10の上面21側に注入されてよく、下面23側に注入されてもよい。当該不純物は、後述するダイオード部に注入されてよい。当該不純物は、後述するトランジスタ部にも注入されてよい。第3アニール段階S518では、半導体基板10をアニールして、格子欠陥の密度を調整する。第3アニール段階S518のアニール温度T3は、第1アニール段階S510のアニール温度T1以下であってよい。あるいは、第3アニール段階S518のアニール温度T3は、第2アニール段階S510のアニール温度T2以下であってよい。
In the lifetime killer formation step S516, impurities such as helium are injected into the
図5Bは、半導体装置100の製造方法の他の例を示すフローチャートである。本例の製造方法は、図5Aに示した例に対して、荷電粒子注入段階S506および水素注入段階S508の順番が入れ替わっている。つまり本例では、水素注入段階S508を行った後に、荷電粒子注入段階S506を行う。荷電粒子注入段階S506の後に、第1アニール段階S510を行う。他の工程は、図5Aに示した例と同様であってよい。本例によっても、高濃度領域150を深さ方向に長く形成できる。
Figure 5B is a flowchart showing another example of a method for manufacturing the
図6Aは、半導体装置100の製造方法の他の例を示すフローチャートである。本例の製造方法は、図5Aに示した例に対して、第2注入段階S512が異なる。他の工程は、図5Aに示した例と同様であってよい。
Figure 6A is a flowchart showing another example of a method for manufacturing the
本例の第2注入段階S512においては、第3の深さ位置Z3に加えて、第1の深さ位置Z1にも水素イオンを注入する。つまり、第1の深さ位置Z1には、第1注入段階S505と、第2注入段階S512の2段階で水素イオンが注入される。 In this example, in the second implantation step S512, hydrogen ions are implanted not only at the third depth position Z3, but also at the first depth position Z1. In other words, hydrogen ions are implanted at the first depth position Z1 in two steps, the first implantation step S505 and the second implantation step S512.
第3の深さ位置Z3に水素イオンを注入することで、第3の深さ位置Z3の近傍には格子欠陥が高密度に形成される。第2アニール段階S514により、第3の深さ位置Z3に注入された水素が拡散してこれらの格子欠陥と結合する。しかし、第3の深さ位置Z3に注入された水素は比較的にドーズ量が低いので、格子欠陥が多く残存する場合がある。これに対して、第2注入段階S512において第1の深さ位置Z1にも水素イオンを注入することで、第1の深さ位置Z1に注入した水素が第3の深さ位置Z3の近傍の格子欠陥と結合して、格子欠陥密度を低減できる。 By implanting hydrogen ions at the third depth position Z3, a high density of lattice defects is formed near the third depth position Z3. The second annealing step S514 causes the hydrogen implanted at the third depth position Z3 to diffuse and bond with these lattice defects. However, since the dose of hydrogen implanted at the third depth position Z3 is relatively low, many lattice defects may remain. In contrast, by implanting hydrogen ions also at the first depth position Z1 in the second implantation step S512, the hydrogen implanted at the first depth position Z1 bonds with lattice defects near the third depth position Z3, thereby reducing the lattice defect density.
図6Bは、半導体装置100の製造方法の他の例を示すフローチャートである。本例の製造方法は、図6Aに示した例に対して、荷電粒子注入段階S506および水素注入段階S508の順番が入れ替わっている。つまり本例では、水素注入段階S508を行った後に、荷電粒子注入段階S506を行う。荷電粒子注入段階S506の後に、第1アニール段階S510を行う。他の工程は、図6Aに示した例と同様であってよい。本例によっても、高濃度領域150を深さ方向に長く形成できる。
Figure 6B is a flow chart showing another example of a method for manufacturing the
図7は、バッファ領域20の近傍における水素化学濃度CHの分布例を示す図である。図7の水素化学濃度CHの分布は、第2アニール段階S514の後の分布である。第1注入段階S505により注入された水素による水素化学濃度をCH0とする。当該水素は、第1アニール段階S510により上面21側に拡散している。第1アニール段階S510の後における水素化学濃度CH0のピーク値をH1-0とする。
7 is a diagram showing an example of the distribution of hydrogen chemical concentration CH in the vicinity of the
次に、第2注入段階S512において、第1の深さ位置Z1と、それぞれの第3の深さ位置Z3とに水素イオンを注入する。第3の深さ位置Z3には、水素イオンに代えてリン等のN型ドーパントを注入してもよい。第2アニール段階S514により、第1の深さ位置Z1に追加で注入された水素が、それぞれの第3の深さ位置Z3の近傍に拡散する。これにより、それぞれの第3の深さ位置Z3の近傍の格子欠陥密度を低減できる。第2アニール段階S514の後における水素化学濃度CHのピーク値をH1-1とする。 Next, in a second implantation step S512, hydrogen ions are implanted into the first depth position Z1 and each of the third depth positions Z3. An N-type dopant such as phosphorus may be implanted into the third depth position Z3 instead of hydrogen ions. In the second annealing step S514, the hydrogen additionally implanted into the first depth position Z1 diffuses to the vicinity of each of the third depth positions Z3. This reduces the lattice defect density in the vicinity of each of the third depth positions Z3. The peak value of the hydrogen chemical concentration C H after the second annealing step S514 is designated as H1-1.
なお、バッファ領域20には、リン等のN型ドーパントを追加して注入してもよい。図7においては、リン化学濃度CPの分布例を1点鎖線で示している。リン化学濃度CPは、下面23と深さ位置Z1との間に化学濃度ピーク171を有してよい。ピーク171の濃度は、ピーク値H1-1より大きくてよく、小さくてもよい。ピーク171の濃度は、ピーク値H1-0より大きくてよく、小さくてもよい。
An N-type dopant such as phosphorus may be additionally implanted into the
ピーク値H1-0は、水素化学濃度ピーク131-2、131-3、131-4のいずれのピーク値よりも大きくてよい。第1注入段階S505で注入する水素イオンの濃度を高くすることで、より深い位置まで水素を拡散させることができる。第1注入段階S505で第1の深さ位置Z1に注入する水素イオンのドーズ量は、第2注入段階S512でそれぞれの第2の深さ位置Z3に注入する水素イオンの総ドーズ量よりも多くてよい。 Peak value H1-0 may be greater than any of the peak values of hydrogen chemical concentration peaks 131-2, 131-3, and 131-4. By increasing the concentration of hydrogen ions implanted in the first implantation step S505, hydrogen can be diffused to a deeper position. The dose of hydrogen ions implanted at the first depth position Z1 in the first implantation step S505 may be greater than the total dose of hydrogen ions implanted at each of the second depth positions Z3 in the second implantation step S512.
ピーク値H1-1と、ピーク値H1-0の差分は、ピーク値H1-0よりも小さくてよい。つまり、第2注入段階S512で第1の深さ位置Z1に注入する水素イオンの第2のドーズ量は、第1注入段階S505で第1の深さ位置Z1に注入する水素イオンの第1のドーズ量よりも低くてよい。第2注入段階S512では、第3の深さ位置Z3の近傍の格子欠陥を終端できればよいので、水素イオンのドーズ量が少なくよい。第2のドーズ量は、第1のドーズ量の半分以下であってよい。第1のドーズ量は、1×1014ions/cm3以上であってよい。第1のドーズ量は、2×1014ions/cm3以上であってよく、5×1014ions/cm3以上であってもよい。第2のドーズ量は、5×1013ions/cm3以上であってよく、1×1014ions/cm3以上であってもよい。 The difference between the peak value H1-1 and the peak value H1-0 may be smaller than the peak value H1-0. That is, the second dose of hydrogen ions implanted at the first depth position Z1 in the second implantation stage S512 may be lower than the first dose of hydrogen ions implanted at the first depth position Z1 in the first implantation stage S505. In the second implantation stage S512, since it is sufficient to terminate the lattice defects in the vicinity of the third depth position Z3, the dose of hydrogen ions may be small. The second dose may be half or less of the first dose. The first dose may be 1×10 14 ions/cm 3 or more. The first dose may be 2×10 14 ions/cm 3 or more, or may be 5×10 14 ions/cm 3 or more. The second dose may be 5×10 13 ions/cm 3 or more, or may be 1×10 14 ions/cm 3 or more.
図8は、第1の深さ位置Z1に対する水素イオンのドーズ量を変化させた場合の、バッファ領域20の近傍におけるドーピング濃度Ddの変化を示す図である。本例では、第2注入段階512では、第1の深さ位置Z1に水素イオンを注入していない。また、それぞれの第3の深さ位置Z3に対する水素イオンのドーズ量は変化させていない。
8 is a diagram showing a change in doping concentration Dd in the vicinity of the
ドーピング濃度Dd1は、第1の深さ位置Z1に対する水素イオンのドーズ量が1×1014/cm2の場合のドーピング濃度である。ドーピング濃度Dd2は、第1の深さ位置Z1に対する水素イオンのドーズ量が3×1013/cm2の場合のドーピング濃度である。ドーピング濃度Dd3は、第1の深さ位置Z1に対する水素イオンのドーズ量が1×1013/cm2の場合のドーピング濃度である。なお、第1の深さ位置Z1に最も近い第3の深さ位置Z3の水素イオンのドーズ量は1×1013/cm2である。 The doping concentration D d1 is the doping concentration when the dose of hydrogen ions at the first depth position Z1 is 1×10 14 /cm 2. The doping concentration D d2 is the doping concentration when the dose of hydrogen ions at the first depth position Z1 is 3×10 13 /cm 2. The doping concentration D d3 is the doping concentration when the dose of hydrogen ions at the first depth position Z1 is 1×10 13 /cm 2. The dose of hydrogen ions at the third depth position Z3 closest to the first depth position Z1 is 1×10 13 /cm 2 .
いずれのドーズ量でも、ドーピング濃度ピーク111-2よりも上面21側のドーピング濃度分布は、あまり変化していない。これに対して、ドーピング濃度ピーク111-1とドーピング濃度ピーク111-2の間のドーピング濃度は、第1の深さ位置Z1に対するドーズ量に応じて大きく変化している。なお、第1の深さ位置Z1に対するドーズ量を、1×1014/cm2よりも更に大きくしても、ドーピング濃度ピーク111-1とドーピング濃度ピーク111-2の間のドーピング濃度はほとんど変化しなかった。
Regardless of the dose, the doping concentration distribution on the
このため、第1の深さ位置Z1に対するドーズ量が小さいと、ドーピング濃度ピーク111-1とドーピング濃度ピーク111-2の間の格子欠陥が、十分に水素と結合できていないと考えられる。第1の深さ位置Z1に対する水素イオンのドーズ量は、3×1013/cm2以上であってよく、1×1014/cm2以上であってもよい。第1の深さ位置Z1に対する水素イオンのドーズ量は、第1の深さ位置Z1に最も近い第3の深さ位置Z3に対する水素イオンのドーズ量の3倍以上であってよく、10倍以上であってもよい。また、ドーピング濃度ピーク111-1のドーピング濃度は、ドーピング濃度ピーク111-2のドーピング濃度の3倍以上であってよく、10倍以上であってもよい。 For this reason, it is considered that when the dose amount for the first depth position Z1 is small, the lattice defects between the doping concentration peak 111-1 and the doping concentration peak 111-2 are not sufficiently bonded with hydrogen. The dose amount of hydrogen ions for the first depth position Z1 may be 3×10 13 /cm 2 or more, or may be 1×10 14 /cm 2 or more. The dose amount of hydrogen ions for the first depth position Z1 may be three times or more, or may be ten times or more, of the dose amount of hydrogen ions for the third depth position Z3 closest to the first depth position Z1. In addition, the doping concentration of the doping concentration peak 111-1 may be three times or more, or may be ten times or more, of the doping concentration of the doping concentration peak 111-2.
図9Aは、水素化学濃度ピーク131-1と、ドーピング濃度ピーク111-1との関係を説明する図である。本例では、水素化学濃度ピーク131-1の下側裾132の傾き134を用いて、ドーピング濃度ピーク111-1の下側裾112の傾き114を規格化する。規格化は、一例として傾き134で傾き114を除算する処理である。
Figure 9A is a diagram explaining the relationship between the hydrogen chemical concentration peak 131-1 and the doping concentration peak 111-1. In this example, the
下側裾の傾きは、濃度が極大値を示す位置と、濃度が極大値に対して予め定められた比率となる位置との傾きであってよい。予め定められた比率は、80%であってよく、50%であってよく、10%であってよく、1%であってよく、他の比率を用いてもよい。また、水素化学濃度ピーク131-1およびドーピング濃度ピーク111-1においては、第1の深さ位置Z1と、半導体基板10の下面23との間の濃度分布の傾きを用いてもよい。
The slope of the lower tail may be the slope between the position where the concentration shows a maximum value and the position where the concentration is a predetermined ratio to the maximum value. The predetermined ratio may be 80%, 50%, 10%, 1%, or another ratio may be used. Also, for the hydrogen chemical concentration peak 131-1 and the doping concentration peak 111-1, the slope of the concentration distribution between the first depth position Z1 and the
図9Aに示す例では、水素化学濃度ピーク131-1の傾き134は、(H1-aH1)/(Z1-Z4)で与えられ、ドーピング濃度ピーク111-1の傾き114は(D1-aD1)/(Z1-Z5)で与えられる。H1は第1の深さ位置Z1における水素化学濃度であり、D1は第1の深さ位置Z1におけるドーピング濃度であり、aは予め定められた比率であり、Z4は水素化学濃度ピーク131-1の下側裾132において水素濃度がaH1となる深さであり、Z5はドーピング濃度ピーク111-1の下側裾112においてドーピング濃度がaD1となる深さである。例えば、傾き134で傾き114を規格化すると、(D1-aD1)(Z1-Z4)/{(H1-aH1)(Z1-Z5)}となる。傾き134で傾き114を規格化した傾きをαとする。
9A, the
図9Bは、不純物化学濃度ピーク141と、ドーピング濃度ピーク121との関係を説明する図である。本例では、第2の深さ位置Z2に、荷電粒子として水素イオンを注入している。本例では、不純物化学濃度ピーク141の下側裾142の傾き144を用いて、ドーピング濃度ピーク121の下側裾の傾き124を規格化する。
Figure 9B is a diagram illustrating the relationship between the impurity
図9Bに示す例では、不純物化学濃度ピーク141の傾き144は(H2-aH2)/(Z2-Z6)で与えられ、ドーピング濃度ピーク121の傾き124は(D2-aD2)/(Z2-Z7)で与えられる。H2は第2の深さ位置Z2における水素化学濃度であり、D2は第2の深さ位置Z2におけるドーピング濃度であり、aは予め定められた比率であり、Z6は不純物化学濃度ピーク141の下側裾142において水素化学濃度がaH2となる深さであり、Z7はドーピング濃度ピーク121の下側裾122においてドーピング濃度がaD2となる深さである。ドーピング濃度ピーク121の傾きを規格化するのに用いる比率aは、ドーピング濃度ピーク111-1の傾きを規格化するのに用いる比率aと同一であってよく、異なっていてもよい。例えば、傾き144で傾き124を規格化すると、(D2-aD2)(Z2-Z6)/{(Z2-Z7)(H2-aH2)}となる。傾き144で傾き124を規格化した傾きをβとする。
9B, the
ドーピング濃度ピーク121の下側裾122の規格化された傾きβは、ドーピング濃度ピーク111-1の下側裾112の規格化された傾きαよりも小さい。つまり、ドーピング濃度ピーク121のほうが、ドーピング濃度ピーク111-1に比べて、水素化学濃度のピークに対してなだらかなピークになっている。このようなドーピング濃度ピーク121が形成されるように水素イオンを注入することで、平坦な濃度分布を有する高濃度領域150を形成できる。また、ドーピング濃度ピーク121をなだらかな形状にすることで、高濃度領域150の先端におけるドーピング濃度の変化を緩やかにすることもできる。ドーピング濃度ピーク121の下側裾122の規格化された傾きβは、ドーピング濃度ピーク111-1の下側裾の規格化された傾きαの1倍以下であってよく、0.1倍以下であってよく、0.01倍以下であってもよい。
The normalized slope β of the
また、不純物化学濃度ピーク141の下側裾142の傾き144は、上側裾143の傾き145よりも小さくてよい。下面23から深い位置に注入した水素の化学濃度分布は、下面23側にゆるやかな裾を引く場合があるので、下側裾142の傾き144と、上側裾143の傾き145とを比較することで、第2の深さ位置Z2に注入された水素が、下面23側から注入されたか否かを判別できる場合がある。傾き145は(H2-aH2)/(Z8-Z2)で与えられる。傾き125は(D2-aD2)/(Z9-Z2)で与えられる。Z8は、Z8は不純物化学濃度ピーク141の上側裾143において水素化学濃度がaH2となる深さであり、Z9はドーピング濃度ピーク121の上側裾123においてドーピング濃度がaD2となる深さである。なお、図9Bにおいては、ドーピング濃度ピーク121の下側裾122の傾き124が、上側裾123の傾き125より大きいが、不純物化学濃度ピーク141と同様に、ドーピング濃度ピーク121の下側裾122の傾き124は、上側裾123の傾き125より小さくてもよい。
In addition, the
図9Cは、下側裾142の傾きを説明する図である。下側裾142の傾きは、以下のように考えてもよい。図9Cに記載しているように、不純物化学濃度ピーク141において、ピーク濃度H2の10%(0.1×H2)の濃度となる2つの位置P10、P11の間の幅(10%全幅)を、FW10%Mとする。2つの位置P10、P11は、第2の深さ位置Z2を挟んで、水素化学濃度が0.1×H2となる点のうち、第2の深さ位置Z2に最も近い2つの位置である。2つの位置P10、P11のうち水素化学濃度ピーク131-1側の位置をZ10とする。位置Z10におけるドーピング濃度の傾きはほぼ平坦である。位置Z10における水素化学濃度の傾きは、位置Z10におけるドーピング濃度の傾きの100倍を超える。例えば、位置Z10における水素化学濃度の傾きは、位置Z10におけるドーピング濃度の傾きの100倍以上であってよく、1000倍以上であってもよい。
Figure 9C is a diagram explaining the slope of the
図10Aは、下側裾112の傾きの規格化の他の定義を説明する図である。下側裾112の傾きの規格化においては、例えば、以下の指標γを導入する。図9Aの例では位置Z4と位置Z5とが異なっていたが、本例では位置Z4と位置Z5を同じ位置とする(Z4=Z5)。位置Z4は、ここでは予め定められた位置である。位置Z4は、水素化学濃度CHおよびドーピング濃度Ddが、第1の深さ位置Z1よりも下面23側にて下側裾132、112となっている位置であればよい。位置Z4における水素化学濃度をa×H1、ドーピング濃度をb×D1とする。aは第1の深さ位置Z1の水素化学濃度ピーク131-1の濃度H1に対する、位置Z4における水素化学濃度の比率である。bは第1の深さ位置Z1のドーピング濃度ピーク111-1の濃度D1に対する、位置Z3のドーピング濃度の比率である。ここで、区間Z4~Z1における水素化学濃度およびドーピング濃度のそれぞれ傾きの比と、当該傾きの比を規格化した傾き比γを導入する。区間Z4~Z1における水素化学濃度の傾きの比を、(H1/aH1)/(Z1-Z4)と定義する。同じく、区間Z4~Z1におけるドナー濃度の傾きの比を、(D1/bD1)/(Z1-Z4)と定義する。そして、区間Z4~Z1における水素化学濃度の傾きの比で、ドーピング濃度の傾きの比を規格化した傾き比γを、{(D1/bD1)/(Z1-Z4)}/{(H1/aH1)/(Z1-Z4)}と定義する。規格化した傾き比γは、前式を計算することにより、簡単な比a/bとなる。
FIG. 10A is a diagram for explaining another definition of the normalization of the gradient of the
図10Bは、下側裾122の傾きの規格化の他の定義を説明する図である。下側裾122の傾きの規格化においては、例えば、指標γと同様の指標εを導入する。図9Bの例では位置Z6と位置Z7とが異なっていたが、本例では位置Z6と位置Z7を同じ位置とする(Z6=Z7)。位置Z6は、ここでは予め定められた位置である。位置Z6は、水素化学濃度およびドーピング濃度が、第2の深さ位置Z2よりも下面23側にて下側裾142、122となっている位置であればよい。位置Z6における水素化学濃度をc×H2、ドーピング濃度をd×D2とする。cは第2の深さ位置Z2の水素化学濃度H2に対する、位置Z6における水素化学濃度の比率である。dは第2の深さ位置Z2のドーピング濃度ピーク121の濃度D2に対する、位置Z6のドーピング濃度の比率である。ここで、区間Z6~Z2における水素化学濃度およびドーピング濃度のそれぞれ傾きの比と、当該傾きの比を規格化した傾き比εを導入する。区間Z6~Z2における水素化学濃度の傾きの比を、(H2/cH2)/(Z2-Z6)と定義する。同じく、区間Z6~Z2におけるドーピング濃度の傾きの比を、(D2/dD2)/(Z2-Z6)と定義する。そして、区間Z6~Z2における水素化学濃度の傾きの比で、ドーピング濃度の傾きの比を規格化した傾き比γを、{(D2/dD2)/(Z2-Z6)}/{(H2/cH2)/(Z2-Z6)}と定義する。規格化した傾き比γは、前式を計算することにより、簡単な比(c/d)となる。
Figure 10B is a diagram explaining another definition of the normalization of the slope of the
水素化学濃度ピーク131-1とドーピング濃度ピーク111-1については、水素化学濃度分布とドーピング濃度分布は相似形になることが多い。ここで相似形になるとは、例えば横軸を深さ、縦軸を濃度の常用対数としたときに、ドーピング濃度分布は水素化学濃度分布を反映した分布を示すことを意味する。すなわち、所定の区間Z4~Z1において、水素イオンをイオン注入し、さらにアニールを行うことにより、ドーピング濃度分布は水素化学濃度分布を反映した分布となる。一例として、水素化学濃度ピーク131-1のH1が1×1017atоms/cm3で、位置Z4の水素化学濃度aH1が2×1016atоms/cm3とすると、aは0.2となる。一方、ドーピング濃度ピーク111-1のD1が1×1016/cm3で、位置Z4のドーピング濃度bD1が2×1015/cm3とすると、bは0.2となる。したがって、規格化した傾き比γは、a/bであるので、1となる。すなわち、下面23に近い第1の深さ位置Z1においては、水素化学濃度分布の傾きの比aとドーピング濃度分布の傾きの比bはほぼ同じ値となり、相似形であると言える。
For the hydrogen chemical concentration peak 131-1 and the doping concentration peak 111-1, the hydrogen chemical concentration distribution and the doping concentration distribution often have similar shapes. Here, being similar means that, for example, when the horizontal axis is depth and the vertical axis is common logarithm of concentration, the doping concentration distribution shows a distribution that reflects the hydrogen chemical concentration distribution. That is, by ion-implanting hydrogen ions in a predetermined section Z4 to Z1 and then performing annealing, the doping concentration distribution becomes a distribution that reflects the hydrogen chemical concentration distribution. As an example, if H1 of the hydrogen chemical concentration peak 131-1 is 1×10 17 atoms/cm 3 and the hydrogen chemical concentration aH1 at the position Z4 is 2×10 16 atoms/cm 3 , then a is 0.2. On the other hand, if D1 of doping concentration peak 111-1 is 1×10 16 /cm 3 and the doping concentration bD1 at position Z4 is 2×10 15 /cm 3 , then b is 0.2. Therefore, the normalized slope ratio γ is a/b, which is 1. That is, at the first depth position Z1 close to the
一方、不純物化学濃度ピーク141とドーピング濃度ピーク121については、水素化学濃度分布とドーピング濃度分布は相似形にならなくてもよい。すなわち、所定の区間Z6~Z2において、ドーピング濃度分布は水素化学濃度分布を反映しなくてもよい。一例として、不純物化学濃度ピーク141の水素化学濃度H2が1×1016atоms/cm3で、位置Z6の水素化学濃度cH2が1×1015atоms/cm3とすると、cは0.1となる。一方、ドーピング濃度ピーク121の濃度D2が3×1014/cm3で、位置Z6のドーピング濃度dD2が1.5×1014/cm3とすると、dは0.5となる。したがって、規格化した傾き比εは、c/dであるので、0.2となる。すなわち、下面23から十分深い第2の深さ位置Z2においては、水素化学濃度分布の傾きの比cはドーピング濃度分布の傾きの比dよりも0.2倍小さい値となり、相似とは離れた形を示すと言える。
On the other hand, for the impurity
規格化した傾き比γとεを比較すると、水素化学濃度分布のピーク位置が下面23に近い場合にγは1に近くなり、水素化学濃度分布のピーク位置が下面23から十分深い場合にはεは1よりも十分高い値になってよい。すなわち、規格化した傾き比εは、規格化した傾き比γよりも大きくてよい。さらに、傾き比εは、1.1以上であってよく、1.5以上であってよく、2以上であってよい。あるいは、10以上であってよく、100以上であってもよい。
When comparing the normalized slope ratios γ and ε, γ will be close to 1 when the peak position of the hydrogen chemical concentration distribution is close to the
なお、水素化学濃度ピーク131-1および不純物化学濃度ピーク141の実際の位置と、ドーピング濃度ピーク111-1およびドーピング濃度ピーク121の実際の位置が、異なる場合もある。このように化学濃度ピークの位置とドーピング濃度の位置が一致しない場合は、化学濃度ピークの位置を第1の深さ位置Z1または第2の深さ位置Z2とし、ドーピング濃度については第1の深さ位置Z1または第2の深さ位置Z2における濃度を便宜的にピークの位置としてもよい。これにより、上記の定義による計算は可能となる。
Note that the actual positions of the hydrogen chemical concentration peak 131-1 and the impurity
図11から図19は、バルク・ドナー濃度、および、高濃度領域150のドナー濃度の好ましい範囲を決定する方法の一例を説明する図である。本例では、バルク・ドナー濃度がばらついた場合でも、高濃度領域150における最終的なドナー濃度(ドーピング濃度)が比較的に安定した濃度となるように、バルク・ドナー濃度およびドナー濃度を設定する。
Figures 11 to 19 are diagrams illustrating an example of a method for determining the preferred range of the bulk donor concentration and the donor concentration of the
本例では、バルク・ドナー濃度の仕様値をNB0とし、実際のバルク・ドナー濃度をNBreとする。バルク・ドナー濃度の仕様値とは、半導体ウエハの製造者が規定する仕様値である。仕様値に幅がある場合、仕様値の中央値を用いてよい。バルク・ドナー濃度は、リン等のバルク・ドナーの濃度で定まる比抵抗ρに対して、N=1/qμρで与えられる。qは電気素量であり、μは半導体基板10中における電子の移動度である。
In this example, the specification value of the bulk donor concentration is N B0 , and the actual bulk donor concentration is N Bre . The specification value of the bulk donor concentration is a specification value specified by the manufacturer of the semiconductor wafer. If there is a range of specification values, the median value of the specification values may be used. The bulk donor concentration is given by N=1/qμρ, where ρ is the resistivity determined by the concentration of a bulk donor such as phosphorus. q is the elementary charge, and μ is the mobility of electrons in the
水素ドナー(VOH欠陥)の濃度をNHとする。水素ドナー濃度NHのばらつきは、バルク・ドナー濃度のばらつきに比べて無視できる程度に小さい。本例では水素ドナー濃度NHのばらつきを0とする。
The concentration of hydrogen donors (VOH defects) is defined as
最終的なドナー濃度の目標値をNF0とする。また、実際に得られた最終的なドナー濃度をNFreとする。上述した濃度は、全て単位体積当たりの濃度(/cm3)である。 The target value of the final donor concentration is set to N F0 . The final donor concentration actually obtained is set to N Fre . The above concentrations are all concentrations per unit volume (/cm 3 ).
最終的なドナー濃度の目標値NF0は、バルク・ドナー濃度の仕様値NB0に、水素ドナー濃度NHを加算したものであるので、下式で与えられる。
NF0=NH+NB0 ・・・式(1)
一方、実際のドナー濃度NFreは、実際のバルク・ドナー濃度NBreに、水素ドナー濃度NHを加算したものであるので、下式で与えられる。
NFre=NH+NBre ・・・式(2)
The final target value N F0 of the donor concentration is obtained by adding the hydrogen donor concentration N H to the specified value N B0 of the bulk donor concentration, and is given by the following formula:
N F0 = N H + N B0 ...Formula (1)
On the other hand, the actual donor concentration N_Fre is obtained by adding the hydrogen donor concentration N_H to the actual bulk donor concentration N_Bre , and is given by the following equation:
N Fre = NH +N Bre ...Formula (2)
パラメータβを、下式で定義する。
β=NBre/NB0 ・・・式(3)
パラメータβは、実際のバルク・ドナー濃度NBreと仕様値NB0との比であり、1から離れるほど実際のバルク・ドナー濃度NBreが仕様値NB0からずれていることを示す。
The parameter β is defined by the following equation.
β=N Bre /N B0 ...Formula (3)
The parameter β is the ratio between the actual bulk donor concentration N Bre and the specification value N B0 , and the greater the deviation from 1, the greater the deviation of the actual bulk donor concentration N Bre from the specification value N B0 .
パラメータγを、下式で定義する。
γ=NFre/NF0 ・・・式(4)
パラメータγは、実際のドナー濃度NFreと目標値NF0との比であり、1から離れるほど実際のドナー濃度NFreが目標値NF0からずれていることを示す。つまり、γが十分に1に近ければ、実際のバルク・ドナー濃度NBreが仕様値NB0に対してβ倍ずれた場合でも、βにほとんど依らずに、実際のドナー濃度NFreが目標値NF0とほぼ一致していることを示している。
The parameter γ is defined as follows:
γ=N Fre /N F0 ...Formula (4)
The parameter γ is the ratio between the actual donor concentration N Fre and the target value N F0 , and the farther it is from 1, the more the actual donor concentration N Fre deviates from the target value N F0 . In other words, if γ is sufficiently close to 1, even if the actual bulk donor concentration N Bre deviates from the specification value N B0 by β times, the actual donor concentration N Fre will almost match the target value N F0 with almost no dependence on β.
ここで、バルク・ドナー濃度のばらつきが比較的に小さいFZ法で製造されたシリコンウエハの比抵抗ばらつきは、一般に下記の通りである。
・中性子照射FZウエハ・・・±8%(比では0.92から1.08)
・ガスドープFZウエハ・・・±12%(比では0.88から1.12)
このため、γが0.85以上、1.15以下であれば、最終的なドナー濃度NFreのばらつきが、上述したFZ法のシリコンウエハのバルク・ドナー濃度と同程度になる。本明細書では、γの許容値を0.85以上、1.15以下とする。
Here, the specific resistance variation of silicon wafers manufactured by the FZ method, in which the variation in bulk donor concentration is relatively small, is generally as follows:
Neutron irradiated FZ wafers: ±8% (ratio: 0.92 to 1.08)
Gas-doped FZ wafer: ±12% (ratio: 0.88 to 1.12)
Therefore, if γ is 0.85 or more and 1.15 or less, the variation in the final donor concentration N Fre becomes approximately the same as the bulk donor concentration of the silicon wafer obtained by the FZ method described above. In this specification, the allowable value of γ is 0.85 or more and 1.15 or less.
実際のドナー濃度NFreは、実際のバルク・ドナー濃度NBreのばらつき(β)の影響を受ける。一方で、水素ドナー濃度NHのばらつきは、バルク・ドナー濃度NBreのばらつきに比べると、ほぼ0であると見做すことができる。このため、ドナー濃度の目標値NF0に対してバルク・ドナー濃度の仕様値NB0を小さくすることで、ドナー濃度NFreにおいてばらつく成分の割合を小さくすることが可能となる。 The actual donor concentration N Fre is affected by the variation (β) of the actual bulk donor concentration N Bre . On the other hand, the variation of the hydrogen donor concentration N H can be considered to be almost zero compared to the variation of the bulk donor concentration N Bre . Therefore, by making the specification value N B0 of the bulk donor concentration smaller than the target value N F0 of the donor concentration, it is possible to reduce the proportion of components that vary in the donor concentration N Fre .
パラメータε'を、下式で定義する。
NB0=ε'×NF0 ・・・式(5)
ただし、0<ε'<1。パラメータε'は、ドナー濃度の目標値NF0に対して、バルク・ドナー濃度の仕様値NB0をε'だけ小さく設定する、という意味のパラメータである。
ε'を、0にならない範囲で1よりもどれだけ小さい値とすれば、γがβによらずに、且つ、十分1に近づくかを検討する。
The parameter ε′ is defined by the following equation.
N B0 = ε ' × N F0 ... formula (5)
Here, 0<ε′<1. The parameter ε′ is a parameter meaning that the specification value N_B0 of the bulk donor concentration is set smaller by ε′ than the target value N_F0 of the donor concentration.
It is considered how small a value of ε′ should be from 1, but not zero, so that γ is independent of β and sufficiently approaches 1.
パラメータεを、下式で定義する。
ε=1/ε' ・・・式(6)
式(5)および式(6)から、下式が得られる。
NB0=NF0/ε ・・・式(7)
式(1)に式(7)を代入して、下式が得られる。
NF0=NH+NF0/ε つまり、NH=(1-1/ε)NF0 ・・・式(8)
式(2)に式(8)および式(3)を代入して、下式が得られる。
NFre=(1-1/ε)NF0+βNB0 ・・・式(9)
式(9)に式(7)を代入して、下式が得られる。
NFre=(1-1/ε)NF0+(β/ε)NF0
=(1-1/ε+β/ε)NF0 ・・・式(10)
式(4)に式(10)を代入して、下式が得られる。
γ=1-1/ε+β/ε
=1+(β―1)/ε ・・・式(11)
式(6)および式(11)から、下式が得られる。
γ=1+ε'(β―1) ・・・式(12)
The parameter ε is defined by the following equation.
ε=1/ε'...Formula (6)
From equations (5) and (6), the following equation is obtained:
N B0 = N F0 / ε Equation (7)
By substituting equation (7) into equation (1), the following equation is obtained.
N F0 = N H + N F0 / ε That is, N H = (1 - 1/ε) N F0 ... formula (8)
By substituting equations (8) and (3) into equation (2), the following equation is obtained.
N Fre = (1-1/ε)N F0 +βN B0 ...Formula (9)
By substituting equation (7) into equation (9), the following equation is obtained.
N Fre = (1-1/ε) N F0 + (β/ε) N F0
=(1-1/ε+β/ε)N F0 ...Formula (10)
By substituting equation (10) into equation (4), the following equation is obtained.
γ=1−1/ε+β/ε
=1+(β-1)/ε...Formula (11)
From equations (6) and (11), the following equation is obtained:
γ=1+ε'(β-1) ...Formula (12)
図11は、式(12)で示されるε'とγとの関係を、β毎に示したグラフである。上述したように、γは実際のドナー濃度NFreの目標値NF0に対する比率を示しており、βは実際のバルク・ドナー濃度NBreの仕様値NB0に対する比率を示している。また、γの許容値は0.85以上、1.15以下である。 11 is a graph showing the relationship between ε' and γ shown in formula (12) for each β. As described above, γ indicates the ratio of the actual donor concentration N Fre to the target value N F0 , and β indicates the ratio of the actual bulk donor concentration N Bre to the specification value N B0 . The allowable value of γ is 0.85 or more and 1.15 or less.
例えば、バルク・ドナー濃度の仕様値NB0を、ドナー濃度の目標値NF0の0.5倍以下、すなわち、ε'を0.5以下とする。この場合、例えばβが1.3の場合でも、γは1.15以下となり許容範囲になる。つまり実際のバルク・ドナー濃度NBreが仕様値NB0に比べて30%高い場合でも、実際のドナー濃度NFreは、目標値NF0の1.15倍以下となる。また、βが0.7の場合でも、ε'が0.5以下であれば、γは許容範囲となる。ε'を0に近づけると、γは1に収束する。例えばβ=2の場合、ε'がほぼ0.2以下であれば、γは許容範囲となる。 For example, the specification value N B0 of the bulk donor concentration is set to 0.5 times or less the target value N F0 of the donor concentration, that is, ε' is set to 0.5 or less. In this case, even if β is 1.3, γ is set to 1.15 or less, which is within the allowable range. In other words, even if the actual bulk donor concentration N Bre is 30% higher than the specification value N B0 , the actual donor concentration N Fre is set to 1.15 times or less the target value N F0 . Also, even if β is 0.7, γ is within the allowable range if ε' is 0.5 or less. When ε' approaches 0, γ converges to 1. For example, when β=2, γ is within the allowable range if ε' is approximately 0.2 or less.
γを上記の許容範囲とするために、ε'の好ましい範囲として、例えば下記の範囲A~Dが考えられる。
(範囲A)
ε'が0.001以上、0.5以下。ε'が0.5の場合、βが0.7~1.3の範囲内であれば、γが許容範囲内となる。例えばバルク・ドナー濃度の仕様値NB0が1×1014/cm3であり、ε'が0.001の場合、ドナー濃度の目標値NF0は1×1011/cm3であり、約46000Ωcmに相当する。
In order to set γ within the above-mentioned allowable range, the following ranges A to D, for example, are considered as preferable ranges of ε'.
(Range A)
ε' is 0.001 or more and 0.5 or less. When ε' is 0.5, γ is within the allowable range if β is within the range of 0.7 to 1.3. For example, when the specification value N B0 of the bulk donor concentration is 1×10 14 /cm 3 and ε' is 0.001, the target value N F0 of the donor concentration is 1×10 11 /cm 3 , which corresponds to approximately 46000 Ωcm.
(範囲B)
ε'が0.01以上、0.333以下。ε'が0.333の場合、βが0.5~1.5の範囲内であれば、γが許容範囲内となる。例えばバルク・ドナー濃度の仕様値NB0が1×1014/cm3であり、ε'が0.01の場合、ドナー濃度の目標値NF0は1×1012/cm3であり、約4600Ωcmに相当する。
(Range B)
ε' is 0.01 or more and 0.333 or less. When ε' is 0.333, γ is within the allowable range if β is within the range of 0.5 to 1.5. For example, when the specification value N B0 of the bulk donor concentration is 1×10 14 /cm 3 and ε' is 0.01, the target value N F0 of the donor concentration is 1×10 12 /cm 3 , which corresponds to approximately 4600 Ωcm.
(範囲C)
ε'が0.03以上、0.25以下。ε'が0.25の場合、βが概ね0.4~1.6の範囲内であれば、γが許容範囲内となる。例えばバルク・ドナー濃度の仕様値NB0が1×1014/cm3であり、ε'が0.03の場合、ドナー濃度の目標値NF0は3×1012/cm3であり、約1500Ωcmに相当する。
(Range C)
ε' is 0.03 or more and 0.25 or less. When ε' is 0.25, γ is within the allowable range if β is within the range of approximately 0.4 to 1.6. For example, when the specification value N B0 of the bulk donor concentration is 1×10 14 /cm 3 and ε' is 0.03, the target value N F0 of the donor concentration is 3×10 12 /cm 3 , which corresponds to approximately 1500 Ωcm.
(範囲D)
ε'が0.1以上、0.2以下。ε'が0.2の場合、βが概ね0.2~1.8の範囲内であれば、γが許容範囲内となる。例えばバルク・ドナー濃度の仕様値NB0が1×1014/cm3であり、ε'が0.1の場合、ドナー濃度の目標値NF0は1×1013/cm3であり、約460Ωcmに相当する。
(Range D)
ε' is 0.1 or more and 0.2 or less. When ε' is 0.2, γ is within the allowable range if β is within the range of approximately 0.2 to 1.8. For example, when the specification value N B0 of the bulk donor concentration is 1×10 14 /cm 3 and ε' is 0.1, the target value N F0 of the donor concentration is 1×10 13 /cm 3 , which corresponds to approximately 460 Ωcm.
尚、比抵抗のバラつきが少ない方が実用に向いているため、ε'は0.1以下が好ましく、更に0.02以下が好ましい。この場合、例えば下記の範囲E~Hが考えられる。
(範囲E)
ε'が0.001以上、0.1以下。ε'が0.1の場合、βが概ね0.05(図示しない)~3.0の範囲内であれば、γが十分許容範囲内となる。例えばバルク・ドナー濃度の仕様値NB0が1×1014/cm3であり、ε'が0.1の場合、ドナー濃度の目標値NF0は1×1013/cm3であり、約460Ωcmに相当する。
In addition, since the smaller the variation in resistivity, the more practical it is, the more preferable that ε' is 0.1 or less, and more preferably 0.02 or less. In this case, for example, the following ranges E to H are considered.
(Range E)
ε' is 0.001 or more and 0.1 or less. When ε' is 0.1, if β is within the range of approximately 0.05 (not shown) to 3.0, γ is sufficiently within the allowable range. For example, when the specification value N B0 of the bulk donor concentration is 1×10 14 /cm 3 and ε' is 0.1, the target value N F0 of the donor concentration is 1×10 13 /cm 3 , which corresponds to approximately 460 Ωcm.
(範囲F)
ε'が0.002以上、0.05以下。ε'が0.05の場合、βが概ね0.01(図示しない)~5.0の範囲内であれば、γが十分許容範囲内となる。例えばバルク・ドナー濃度の仕様値NB0が1×1014/cm3であり、ε'が0.05の場合、ドナー濃度の目標値NF0は5×1012/cm3であり、約920Ωcmに相当する。
(Range F)
ε' is 0.002 or more and 0.05 or less. When ε' is 0.05, if β is within the range of approximately 0.01 (not shown) to 5.0, γ is sufficiently within the allowable range. For example, when the specification value N B0 of the bulk donor concentration is 1×10 14 /cm 3 and ε' is 0.05, the target value N F0 of the donor concentration is 5×10 12 /cm 3 , which corresponds to approximately 920 Ωcm.
(範囲G)
ε'が0.005以上、0.02以下。ε'が0.02の場合、βが概ね0.01(図示しない)~10.0の範囲内であれば、γが十分許容範囲内となる。例えばバルク・ドナー濃度の仕様値NB0が1×1014/cm3であり、ε'が0.02の場合、ドナー濃度の目標値NF0は2×1012/cm3であり、約2300Ωcmに相当する。
(Range G)
ε' is 0.005 or more and 0.02 or less. When ε' is 0.02, if β is within the range of approximately 0.01 (not shown) to 10.0, γ is sufficiently within the allowable range. For example, when the specification value N B0 of the bulk donor concentration is 1×10 14 /cm 3 and ε' is 0.02, the target value N F0 of the donor concentration is 2×10 12 /cm 3 , which corresponds to approximately 2300 Ωcm.
(範囲H)
ε'が0.01±0.002(20%)の幅を有する場合。ε'が0.01の場合、βが概ね0.01(図示しない)~20.0(図示しない)の範囲内であれば、γが十分許容範囲内となる。例えばバルク・ドナー濃度の仕様値NB0が1×1014/cm3であり、ε'が0.01の場合、ドナー濃度の目標値NF0は1×1012/cm3であり、約4600Ωcmに相当する。
(Range H)
When ε' has a range of 0.01±0.002 (20%). When ε' is 0.01, if β is within the range of approximately 0.01 (not shown) to 20.0 (not shown), γ is sufficiently within the allowable range. For example, when the specification value N B0 of the bulk donor concentration is 1×10 14 /cm 3 and ε' is 0.01, the target value N F0 of the donor concentration is 1×10 12 /cm 3 , which corresponds to approximately 4600 Ωcm.
上述したように、実際のドナー濃度NFreは、高濃度領域150のドナー濃度に対応する。半導体基板10において大きな領域を占める高濃度領域150のドナー濃度によって、半導体装置100の耐圧がほぼ定まる。このため、半導体装置100の定格電圧によって、高濃度領域150のドナー濃度NFreの好ましい範囲が定まる。ドナー濃度NFreに応じて、当該ドナー濃度NFreを安定させることができるバルク・ドナー濃度NBreの範囲が定まる。
As described above, the actual donor concentration N Fre corresponds to the donor concentration of the
図12は、バルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の一例を示す図である。本例においては、半導体基板10の深さ方向の中央Zcにおけるドナー濃度NFre(/cm3)は、(9.20245×1015)/x以上、(9.20245×1016)/xである。ただし、xは定格電圧(V)である。ドナー濃度NFre(/cm3)は、FZ法で形成された一般的な半導体基板におけるドリフト領域のドーピング濃度を参照して決定したが、MCZ法で形成された半導体基板のドリフト領域のドーピング濃度を参照して決定しても構わない。図12においては、ドナー濃度NFre(/cm3)の好ましい範囲の上限311および下限312を破線で示している。
Fig. 12 is a diagram showing an example of a preferred range of the bulk donor concentration N Bre . In this example, the donor concentration N Fre (/cm 3 ) at the center Zc in the depth direction of the
図12においては、上述した範囲A(ε'が0.001以上、0.5以下)の場合のバルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の上限313および下限314を実線で示している。バルク・ドナー濃度NBreの上限313は、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311にε'の上限値(0.5)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの下限314は、ドナー濃度NFre(/cm3)の下限312にε'の下限値(0.001)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313および下限314は下記の通りである。なお、各例における上限313および下限314の単位は(/cm3)である。上述したように、xは定格電圧(V)である。
・下限314:(9.20245×1012)/x
・上限313:(4.60123×1016)/x
In Fig. 12, the
・Lower limit 314: (9.20245×10 12 )/x
・Upper limit 313: (4.60123×10 16 )/x
図13は、ε'が範囲B(0.01以上、0.333以下)の場合の、バルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の一例を示す図である。なお、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311および下限312は、図12の例と同一である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313は、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311にε'の上限値(0.333)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの下限314は、ドナー濃度NFre(/cm3)の下限312にε'の下限値(0.01)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313および下限314は下記の通りである。
・下限314:(9.20245×1013)/x
・上限313:(3.06442×1016)/x
Fig. 13 is a diagram showing an example of a preferred range of the bulk donor concentration N Bre when ε' is in the range B (0.01 or more and 0.333 or less). The
・Lower limit 314: (9.20245×10 13 )/x
・Upper limit 313: (3.06442×10 16 )/x
図14は、ε'が範囲C(0.03以上、0.25以下)の場合の、バルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の一例を示す図である。なお、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311および下限312は、図12の例と同一である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313は、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311にε'の上限値(0.25)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの下限314は、ドナー濃度NFre(/cm3)の下限312にε'の下限値(0.03)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313および下限314は下記の通りである。
・下限314:(2.76074×1014)/x
・上限313:(2.30061×1016)/x
Fig. 14 is a diagram showing an example of a preferred range of the bulk donor concentration N Bre when ε' is in the range C (0.03 or more and 0.25 or less). The
・Lower limit 314: (2.76074×10 14 )/x
・Upper limit 313: (2.30061×10 16 )/x
図15は、ε'が範囲D(0.1以上、0.2以下)の場合の、バルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の一例を示す図である。なお、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311および下限312は、図12の例と同一である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313は、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311にε'の上限値(0.2)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの下限314は、ドナー濃度NFre(/cm3)の下限312にε'の下限値(0.1)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313および下限314は下記の通りである。
・下限314:(9.20245×1014)/x
・上限313:(1.84049×1016)/x
Fig. 15 is a diagram showing an example of a preferred range of the bulk donor concentration N Bre when ε' is in the range D (0.1 or more and 0.2 or less). The
・Lower limit 314: (9.20245×10 14 )/x
・Upper limit 313: (1.84049×10 16 )/x
図16は、ε'が範囲E(0.001以上、0.1以下)の場合の、バルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の一例を示す図である。なお、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311および下限312は、図12の例と同一である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313は、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311にε'の上限値(0.1)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの下限314は、ドナー濃度NFre(/cm3)の下限312にε'の下限値(0.001)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313および下限314は下記の通りである。
・下限314:(9.20245×1012)/x
・上限313:(9.20245×1015)/x
Fig. 16 is a diagram showing an example of a preferred range of the bulk donor concentration N Bre when ε' is in the range E (0.001 or more and 0.1 or less). The
・Lower limit 314: (9.20245×10 12 )/x
・Upper limit 313: (9.20245×10 15 )/x
図17は、ε'が範囲F(0.002以上、0.05以下)の場合の、バルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の一例を示す図である。なお、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311および下限312は、図12の例と同一である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313は、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311にε'の上限値(0.05)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの下限314は、ドナー濃度NFre(/cm3)の下限312にε'の下限値(0.002)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313および下限314は下記の通りである。
・下限314:(1.84049×1013)/x
・上限313:(4.60123×1015)/x
Fig. 17 is a diagram showing an example of a preferable range of the bulk donor concentration N Bre when ε' is in the range F (0.002 or more and 0.05 or less). The
・Lower limit 314: (1.84049×10 13 )/x
・Upper limit 313: (4.60123×10 15 )/x
図18は、ε'が範囲G(0.005以上、0.02以下)の場合の、バルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の一例を示す図である。なお、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311および下限312は、図12の例と同一である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313は、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311にε'の上限値(0.02)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの下限314は、ドナー濃度NFre(/cm3)の下限312にε'の下限値(0.005)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313および下限314は下記の通りである。
・下限314:(4.60123×1013)/x
・上限313:(1.84049×1015)/x
Fig. 18 is a diagram showing an example of a preferable range of the bulk donor concentration N Bre when ε' is in the range G (0.005 or more and 0.02 or less). The
・Lower limit 314: (4.60123×10 13 )/x
・Upper limit 313: (1.84049×10 15 )/x
図19は、ε'が範囲H(0.01±0.002)の場合の、バルク・ドナー濃度NBreの好ましい範囲の一例を示す図である。なお、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311および下限312は、図12の例と同一である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313は、ドナー濃度NFre(/cm3)の上限311にε'の上限値(0.01)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの下限314は、ドナー濃度NFre(/cm3)の下限312にε'の下限値(0.01)を乗じた値である。バルク・ドナー濃度NBreの上限313および下限314は下記の通りである。
・下限314:(9.20245×1013)/x
・上限313:(9.20245×1014)/x
なお、各範囲における上限313および下限314は、±20%の幅を有してよい。
Fig. 19 is a diagram showing an example of a preferred range of the bulk donor concentration N Bre when ε' is in the range H (0.01±0.002). The
・Lower limit 314: (9.20245×10 13 )/x
・Upper limit 313: (9.20245×10 14 )/x
In addition, the
図12から図19に示したように、バルク・ドナー濃度NBreを、各例における上限313および下限314の間の濃度にすることで、最終的なドナー濃度NFreのばらつきを示すγを、許容範囲内に抑制できる。なお、下限314の曲線は、真性キャリア濃度よりも小さい場合がある。ここで真性キャリア濃度は、室温(例えば300K)において1.45×1010/cm3である。下限314の曲線の値が真性キャリア濃度よりも小さい場合は、下限314は真性キャリア濃度に置き換えてもよい。
12 to 19, by setting the bulk donor concentration N Bre to a concentration between the
図20は、半導体装置100の上面図の一例である。図20においては、各部材を半導体基板10の上面に投影した位置を示している。図20においては、半導体装置100の一部の部材だけを示しており、一部の部材は省略している。
Figure 20 is an example of a top view of the
半導体装置100は、図1から図19において説明した半導体基板10を備えている。半導体基板10は、上面視において端辺102を有する。本明細書で単に上面視と称した場合、半導体基板10の上面側から見ることを意味している。本例の半導体基板10は、上面視において互いに向かい合う2組の端辺102を有する。図20においては、X軸およびY軸は、いずれかの端辺102と平行である。またZ軸は、半導体基板10の上面と垂直である。
The
半導体基板10には活性部160が設けられている。活性部160は、半導体装置100が動作した場合に半導体基板10の上面と下面との間で、深さ方向に主電流が流れる領域である。活性部160の上方には、エミッタ電極が設けられているが図20では省略している。
An
活性部160には、IGBT等のトランジスタ素子を含むトランジスタ部70と、還流ダイオード(FWD)等のダイオード素子を含むダイオード部80の少なくとも一方が設けられている。図20の例では、トランジスタ部70およびダイオード部80は、半導体基板10の上面における所定の配列方向(本例ではX軸方向)に沿って、交互に配置されている。他の例では、活性部160には、トランジスタ部70およびダイオード部80の一方だけが設けられていてもよい。
The
図20においては、トランジスタ部70が配置される領域には記号「I」を付し、ダイオード部80が配置される領域には記号「F」を付している。本明細書では、上面視において配列方向と垂直な方向を延伸方向(図20ではY軸方向)と称する場合がある。トランジスタ部70およびダイオード部80は、それぞれ延伸方向に長手を有してよい。つまり、トランジスタ部70のY軸方向における長さは、X軸方向における幅よりも大きい。同様に、ダイオード部80のY軸方向における長さは、X軸方向における幅よりも大きい。トランジスタ部70およびダイオード部80の延伸方向と、後述する各トレンチ部の長手方向とは同一であってよい。
20, the region in which the
ダイオード部80は、半導体基板10の下面と接する領域に、N+型のカソード領域を有する。本明細書では、カソード領域が設けられた領域を、ダイオード部80と称する。つまりダイオード部80は、上面視においてカソード領域と重なる領域である。半導体基板10の下面には、カソード領域以外の領域には、P+型のコレクタ領域が設けられてよい。本明細書では、ダイオード部80を、後述するゲート配線までY軸方向に延長した延長領域81も、ダイオード部80に含める場合がある。延長領域81の下面には、コレクタ領域が設けられている。
The
トランジスタ部70は、半導体基板10の下面と接する領域に、P+型のコレクタ領域を有する。また、トランジスタ部70は、半導体基板10の上面側に、N型のエミッタ領域、P型のベース領域、ゲート導電部およびゲート絶縁膜を有するゲート構造が周期的に配置されている。
The
半導体装置100は、半導体基板10の上方に1つ以上のパッドを有してよい。本例の半導体装置100は、ゲートパッド164を有している。半導体装置100は、アノードパッド、カソードパッドおよび電流検出パッド等のパッドを有してもよい。各パッドは、端辺102の近傍に配置されている。端辺102の近傍とは、上面視における端辺102と、エミッタ電極との間の領域を指す。半導体装置100の実装時において、各パッドは、ワイヤ等の配線を介して外部の回路に接続されてよい。
The
ゲートパッド164には、ゲート電位が印加される。ゲートパッド164は、活性部160のゲートトレンチ部の導電部に電気的に接続される。半導体装置100は、ゲートパッド164とゲートトレンチ部とを接続するゲート配線を備える。図20においては、ゲート配線に斜線のハッチングを付している。
A gate potential is applied to the
本例のゲート配線は、外周ゲート配線130と、活性側ゲート配線129とを有している。外周ゲート配線130は、上面視において活性部160と半導体基板10の端辺102との間に配置されている。本例の外周ゲート配線130は、上面視において活性部160を囲んでいる。上面視において外周ゲート配線130に囲まれた領域を活性部160としてもよい。また、外周ゲート配線130は、ゲートパッド164と接続されている。外周ゲート配線130は、半導体基板10の上方に配置されている。外周ゲート配線130は、アルミニウム等を含む金属配線であってよい。
The gate wiring in this example has a
活性側ゲート配線129は、活性部160に設けられている。活性部160に活性側ゲート配線129を設けることで、半導体基板10の各領域について、ゲートパッド164からの配線長のばらつきを低減できる。
The active
活性側ゲート配線129は、活性部160のゲートトレンチ部と接続される。活性側ゲート配線129は、半導体基板10の上方に配置されている。活性側ゲート配線129は、不純物がドープされたポリシリコン等の半導体で形成された配線であってよい。
The active
活性側ゲート配線129は、外周ゲート配線130と接続されてよい。本例の活性側ゲート配線129は、Y軸方向の略中央で一方の外周ゲート配線130から他方の外周ゲート配線130まで、活性部160を横切るように、X軸方向に延伸して設けられている。活性側ゲート配線129により活性部160が分割されている場合、それぞれの分割領域において、トランジスタ部70およびダイオード部80がX軸方向に交互に配置されてよい。
The active
また、半導体装置100は、ポリシリコン等で形成されたPN接合ダイオードである不図示の温度センス部や、活性部160に設けられたトランジスタ部の動作を模擬する不図示の電流検出部を備えてもよい。
The
本例の半導体装置100は、活性部160と端辺102との間に、エッジ終端構造部90を備える。本例のエッジ終端構造部90は、外周ゲート配線130と端辺102との間に配置されている。エッジ終端構造部90は、半導体基板10の上面側の電界集中を緩和する。エッジ終端構造部90は、複数のガードリング92を有する。ガードリング92は、半導体基板10の上面と接するP型の領域である。ガードリング92は、上面視において活性部160を囲んでいてよい。複数のガードリング92は、外周ゲート配線130と端辺102との間において、所定の間隔で配置されている。外側に配置されたガードリング92は、一つ内側に配置されたガードリング92を囲んでいてよい。外側とは、端辺102に近い側を指し、内側とは、外周ゲート配線130に近い側を指す。複数のガードリング92を設けることで、活性部160の上面側における空乏層を外側に伸ばすことができ、半導体装置100の耐圧を向上できる。エッジ終端構造部90は、活性部160を囲んで環状に設けられたフィールドプレートおよびリサーフのうちの少なくとも一つを更に備えていてもよい。
The
図21は、図20における領域Aの拡大図である。領域Aは、トランジスタ部70、ダイオード部80、および、活性側ゲート配線129を含む領域である。本例の半導体装置100は、半導体基板10の上面側の内部に設けられたゲートトレンチ部40、ダミートレンチ部30、ウェル領域11、エミッタ領域12、ベース領域14およびコンタクト領域15を備える。ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30は、それぞれがトレンチ部の一例である。また、本例の半導体装置100は、半導体基板10の上面の上方に設けられたエミッタ電極52および活性側ゲート配線129を備える。エミッタ電極52および活性側ゲート配線129は互いに分離して設けられる。
21 is an enlarged view of region A in FIG. 20. Region A includes the
エミッタ電極52および活性側ゲート配線129と、半導体基板10の上面との間には層間絶縁膜が設けられるが、図21では省略している。本例の層間絶縁膜には、コンタクトホール54が、当該層間絶縁膜を貫通して設けられる。図21においては、それぞれのコンタクトホール54に斜線のハッチングを付している。
An interlayer insulating film is provided between the
エミッタ電極52は、ゲートトレンチ部40、ダミートレンチ部30、ウェル領域11、エミッタ領域12、ベース領域14およびコンタクト領域15の上方に設けられる。エミッタ電極52は、コンタクトホール54を通って、半導体基板10の上面におけるエミッタ領域12、コンタクト領域15およびベース領域14と接触する。また、エミッタ電極52は、層間絶縁膜に設けられたコンタクトホールを通って、ダミートレンチ部30内のダミー導電部と接続される。エミッタ電極52は、Y軸方向におけるダミートレンチ部30の先端において、ダミートレンチ部30のダミー導電部と接続されてよい。
The
活性側ゲート配線129は、層間絶縁膜に設けられたコンタクトホールを通って、ゲートトレンチ部40と接続する。活性側ゲート配線129は、Y軸方向におけるゲートトレンチ部40の先端部41において、ゲートトレンチ部40のゲート導電部と接続されてよい。活性側ゲート配線129は、ダミートレンチ部30内のダミー導電部とは接続されない。
The active
エミッタ電極52は、金属を含む材料で形成される。図21においては、エミッタ電極52が設けられる範囲を示している。例えば、エミッタ電極52の少なくとも一部の領域はアルミニウムまたはアルミニウム‐シリコン合金、例えばAlSi、AlSiCu等の金属合金で形成される。エミッタ電極52は、アルミニウム等で形成された領域の下層に、チタンやチタン化合物等で形成されたバリアメタルを有してよい。さらにコンタクトホール内において、バリアメタルとアルミニウム等に接するようにタングステン等を埋め込んで形成されたプラグを有してもよい。
The
ウェル領域11は、活性側ゲート配線129と重なって設けられている。ウェル領域11は、活性側ゲート配線129と重ならない範囲にも、所定の幅で延伸して設けられている。本例のウェル領域11は、コンタクトホール54のY軸方向の端から、活性側ゲート配線129側に離れて設けられている。ウェル領域11は、ベース領域14よりもドーピング濃度の高い第2導電型の領域である。本例のベース領域14はP-型であり、ウェル領域11はP+型である。
The
トランジスタ部70およびダイオード部80のそれぞれは、配列方向に複数配列されたトレンチ部を有する。本例のトランジスタ部70には、配列方向に沿って1以上のゲートトレンチ部40と、1以上のダミートレンチ部30とが交互に設けられている。本例のダイオード部80には、複数のダミートレンチ部30が、配列方向に沿って設けられている。本例のダイオード部80には、ゲートトレンチ部40が設けられていない。
The
本例のゲートトレンチ部40は、配列方向と垂直な延伸方向に沿って延伸する2つの直線部分39(延伸方向に沿って直線状であるトレンチの部分)と、2つの直線部分39を接続する先端部41を有してよい。図21における延伸方向はY軸方向である。
The
先端部41の少なくとも一部は、上面視において曲線状に設けられることが好ましい。2つの直線部分39のY軸方向における端部どうしを先端部41が接続することで、直線部分39の端部における電界集中を緩和できる。
It is preferable that at least a portion of the
トランジスタ部70において、ダミートレンチ部30はゲートトレンチ部40のそれぞれの直線部分39の間に設けられる。それぞれの直線部分39の間には、1本のダミートレンチ部30が設けられてよく、複数本のダミートレンチ部30が設けられていてもよい。ダミートレンチ部30は、延伸方向に延伸する直線形状を有してよく、ゲートトレンチ部40と同様に、直線部分29と先端部31とを有していてもよい。図21に示した半導体装置100は、先端部31を有さない直線形状のダミートレンチ部30と、先端部31を有するダミートレンチ部30の両方を含んでいる。
In the
ウェル領域11の拡散深さは、ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30の深さよりも深くてよい。ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30のY軸方向の端部は、上面視においてウェル領域11に設けられる。つまり、各トレンチ部のY軸方向の端部において、各トレンチ部の深さ方向の底部は、ウェル領域11に覆われている。これにより、各トレンチ部の当該底部における電界集中を緩和できる。
The diffusion depth of the
配列方向において各トレンチ部の間には、メサ部が設けられている。メサ部は、半導体基板10の内部において、トレンチ部に挟まれた領域を指す。一例としてメサ部の上端は半導体基板10の上面である。メサ部の下端の深さ位置は、トレンチ部の下端の深さ位置と同一である。本例のメサ部は、半導体基板10の上面において、トレンチに沿って延伸方向(Y軸方向)に延伸して設けられている。本例では、トランジスタ部70にはメサ部60が設けられ、ダイオード部80にはメサ部61が設けられている。本明細書において単にメサ部と称した場合、メサ部60およびメサ部61のそれぞれを指している。
Mesa portions are provided between each trench portion in the arrangement direction. The mesa portion refers to the region inside the
それぞれのメサ部には、ベース領域14が設けられる。メサ部において半導体基板10の上面に露出したベース領域14のうち、活性側ゲート配線129に最も近く配置された領域をベース領域14-eとする。図21においては、それぞれのメサ部の延伸方向における一方の端部に配置されたベース領域14-eを示しているが、それぞれのメサ部の他方の端部にもベース領域14-eが配置されている。それぞれのメサ部には、上面視においてベース領域14-eに挟まれた領域に、第1導電型のエミッタ領域12および第2導電型のコンタクト領域15の少なくとも一方が設けられてよい。本例のエミッタ領域12はN+型であり、コンタクト領域15はP+型である。エミッタ領域12およびコンタクト領域15は、深さ方向において、ベース領域14と半導体基板10の上面との間に設けられてよい。
A
トランジスタ部70のメサ部60は、半導体基板10の上面に露出したエミッタ領域12を有する。エミッタ領域12は、ゲートトレンチ部40に接して設けられている。ゲートトレンチ部40に接するメサ部60は、半導体基板10の上面に露出したコンタクト領域15が設けられていてよい。
The
メサ部60におけるコンタクト領域15およびエミッタ領域12のそれぞれは、X軸方向における一方のトレンチ部から、他方のトレンチ部まで設けられる。一例として、メサ部60のコンタクト領域15およびエミッタ領域12は、トレンチ部の延伸方向(Y軸方向)に沿って交互に配置されている。
Each of the
他の例においては、メサ部60のコンタクト領域15およびエミッタ領域12は、トレンチ部の延伸方向(Y軸方向)に沿ってストライプ状に設けられていてもよい。例えばトレンチ部に接する領域にエミッタ領域12が設けられ、エミッタ領域12に挟まれた領域にコンタクト領域15が設けられる。
In another example, the
ダイオード部80のメサ部61には、エミッタ領域12が設けられていない。メサ部61の上面には、ベース領域14およびコンタクト領域15が設けられてよい。メサ部61の上面においてベース領域14-eに挟まれた領域には、それぞれのベース領域14-eに接してコンタクト領域15が設けられてよい。メサ部61の上面においてコンタクト領域15に挟まれた領域には、ベース領域14が設けられてよい。ベース領域14は、コンタクト領域15に挟まれた領域全体に配置されてよい。
The
それぞれのメサ部の上方には、コンタクトホール54が設けられている。コンタクトホール54は、ベース領域14-eに挟まれた領域に配置されている。本例のコンタクトホール54は、コンタクト領域15、ベース領域14およびエミッタ領域12の各領域の上方に設けられる。コンタクトホール54は、ベース領域14-eおよびウェル領域11に対応する領域には設けられない。コンタクトホール54は、メサ部60の配列方向(X軸方向)における中央に配置されてよい。
A
ダイオード部80において、半導体基板10の下面と隣接する領域には、N+型のカソード領域82が設けられる。半導体基板10の下面において、カソード領域82が設けられていない領域には、P+型のコレクタ領域22が設けられてよい。図21においては、カソード領域82およびコレクタ領域22の境界を点線で示している。
In the
カソード領域82は、Y軸方向においてウェル領域11から離れて配置されている。これにより、比較的にドーピング濃度が高く、且つ、深い位置まで形成されているP型の領域(ウェル領域11)と、カソード領域82との距離を確保して、耐圧を向上できる。本例のカソード領域82のY軸方向における端部は、コンタクトホール54のY軸方向における端部よりも、ウェル領域11から離れて配置されている。他の例では、カソード領域82のY軸方向における端部は、ウェル領域11とコンタクトホール54との間に配置されていてもよい。
The
図22Aは、図21におけるb-b断面の一例を示す図である。b-b断面は、エミッタ領域12およびカソード領域82を通過するXZ面である。本例の半導体装置100は、当該断面において、半導体基板10、層間絶縁膜38、エミッタ電極52およびコレクタ電極24を有する。層間絶縁膜38は、半導体基板10の上面に設けられている。層間絶縁膜38は、ホウ素またはリン等の不純物が添加されたシリケートガラス等の絶縁膜、熱酸化膜、および、その他の絶縁膜の少なくとも一層を含む膜である。層間絶縁膜38には、図21において説明したコンタクトホール54が設けられている。
Figure 22A is a diagram showing an example of the b-b cross section in Figure 21. The b-b cross section is an XZ plane passing through the
エミッタ電極52は、層間絶縁膜38の上方に設けられる。エミッタ電極52は、層間絶縁膜38のコンタクトホール54を通って、半導体基板10の上面21と接触している。コレクタ電極24は、半導体基板10の下面23に設けられる。エミッタ電極52およびコレクタ電極24は、アルミニウム等の金属材料で形成されている。本明細書において、エミッタ電極52とコレクタ電極24とを結ぶ方向(Z軸方向)を深さ方向と称する。
The
半導体基板10は、N型のドリフト領域19を有する。本例のドリフト領域19は、蓄積領域16の下端から、バッファ領域20の上端までのN型の領域である。本例のドリフト領域19は、図1から図19において説明した高濃度領域150を有する。図22Aにおいては、高濃度領域150に斜線のハッチングを付している。高濃度領域150は、トランジスタ部70に設けられてよく、ダイオード部80に設けられてよく、トランジスタ部70およびダイオード部80の両方に設けられてもよい。高濃度領域150は、バッファ領域20の上端から上面21に向かって設けられた領域である。高濃度領域150の上端部分には、不純物化学濃度ピーク141(図1等参照)が配置されている。
The
ドリフト領域19は、N-型のバルク・ドナー領域18を有してよい。バルク・ドナー領域18は、ドーピング濃度がバルク・ドナーのドナー濃度と一致する領域である。バルク・ドナー領域18は、高濃度領域150よりも上側に配置された領域である。本例においてバルク・ドナー領域18は、トランジスタ部70およびダイオード部80のそれぞれに設けられている。
The
トランジスタ部70のメサ部60には、N+型のエミッタ領域12およびP-型のベース領域14が、半導体基板10の上面21側から順番に設けられている。ベース領域14の下方にはバルク・ドナー領域18が設けられている。メサ部60には、N+型の蓄積領域16が設けられてもよい。蓄積領域16は、ベース領域14とバルク・ドナー領域18との間に配置される。
In the
エミッタ領域12は半導体基板10の上面21に露出しており、且つ、ゲートトレンチ部40と接して設けられている。エミッタ領域12は、メサ部60の両側のトレンチ部と接していてよい。エミッタ領域12は、バルク・ドナー領域18よりもドーピング濃度が高い。
The
ベース領域14は、エミッタ領域12の下方に設けられている。本例のベース領域14は、エミッタ領域12と接して設けられている。ベース領域14は、メサ部60の両側のトレンチ部と接していてよい。
The
蓄積領域16は、ベース領域14の下方に設けられている。蓄積領域16は、ドリフト領域19よりもドーピング濃度が高いN+型の領域である。蓄積領域16は、高濃度領域150よりもドーピング濃度が高くてよい。ドリフト領域19とベース領域14との間に高濃度の蓄積領域16を設けることで、キャリア注入促進効果(IE効果)を高めて、オン電圧を低減できる。蓄積領域16は、各メサ部60におけるベース領域14の下面全体を覆うように設けられてよい。
The
ダイオード部80のメサ部61には、半導体基板10の上面21に接して、P-型のベース領域14が設けられている。ベース領域14の下方には、バルク・ドナー領域18が設けられている。メサ部61において、ベース領域14の下方に蓄積領域16が設けられていてもよい。
The
トランジスタ部70およびダイオード部80のそれぞれにおいて、高濃度領域150よりも下面23側にはN+型のバッファ領域20が設けられている。バッファ領域20の構造は、図1から図19において説明したバッファ領域20と同一である。バッファ領域20は、ベース領域14の下端から広がる空乏層が、P+型のコレクタ領域22およびN+型のカソード領域82に到達することを防ぐフィールドストップ層として機能してよい。
In each of the
トランジスタ部70において、バッファ領域20の下には、P+型のコレクタ領域22が設けられる。コレクタ領域22は、図1から図19において説明した下面領域201の一例である。コレクタ領域22のアクセプタ濃度は、ベース領域14のアクセプタ濃度より高い。コレクタ領域22は、ベース領域14と同一のアクセプタを含んでよく、異なるアクセプタを含んでもよい。コレクタ領域22のアクセプタは、例えばボロンである。
In the
ダイオード部80において、バッファ領域20の下には、N+型のカソード領域82が設けられる。カソード領域82は、図1から図19において説明した下面領域201の一例である。カソード領域82のドナー濃度は、高濃度領域150のドナー濃度より高い。カソード領域82のドナーは、例えば水素またはリンである。なお、各領域のドナーおよびアクセプタとなる元素は、上述した例に限定されない。コレクタ領域22およびカソード領域82は、半導体基板10の下面23に露出しており、コレクタ電極24と接続している。コレクタ電極24は、半導体基板10の下面23全体と接触してよい。エミッタ電極52およびコレクタ電極24は、アルミニウム等の金属材料で形成される。
In the
半導体基板10の上面21側には、1以上のゲートトレンチ部40、および、1以上のダミートレンチ部30が設けられる。各トレンチ部は、半導体基板10の上面21から、ベース領域14を貫通して、ドリフト領域19に到達している。エミッタ領域12、コンタクト領域15および蓄積領域16の少なくともいずれかが設けられている領域においては、各トレンチ部はこれらのドーピング領域も貫通して、バルク・ドナー領域18に到達している。トレンチ部がドーピング領域を貫通するとは、ドーピング領域を形成してからトレンチ部を形成する順序で製造したものに限定されない。トレンチ部を形成した後に、トレンチ部の間にドーピング領域を形成したものも、トレンチ部がドーピング領域を貫通しているものに含まれる。
At least one
上述したように、トランジスタ部70には、ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30が設けられている。ダイオード部80には、ダミートレンチ部30が設けられ、ゲートトレンチ部40が設けられていない。本例においてダイオード部80とトランジスタ部70のX軸方向における境界は、カソード領域82とコレクタ領域22の境界である。
As described above, the
ゲートトレンチ部40は、半導体基板10の上面21に設けられたゲートトレンチ、ゲート絶縁膜42およびゲート導電部44を有する。ゲート絶縁膜42は、ゲートトレンチの内壁を覆って設けられる。ゲート絶縁膜42は、ゲートトレンチの内壁の半導体を酸化または窒化して形成してよい。ゲート導電部44は、ゲートトレンチの内部においてゲート絶縁膜42よりも内側に設けられる。つまりゲート絶縁膜42は、ゲート導電部44と半導体基板10とを絶縁する。ゲート導電部44は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。
The
ゲート導電部44は、深さ方向において、ベース領域14よりも長く設けられてよい。当該断面におけるゲートトレンチ部40は、半導体基板10の上面21において層間絶縁膜38により覆われる。ゲート導電部44は、ゲート配線に電気的に接続されている。ゲート導電部44に所定のゲート電圧が印加されると、ベース領域14のうちゲートトレンチ部40に接する界面の表層に電子の反転層によるチャネルが形成される。
The gate
ダミートレンチ部30は、当該断面において、ゲートトレンチ部40と同一の構造を有してよい。ダミートレンチ部30は、半導体基板10の上面21に設けられたダミートレンチ、ダミー絶縁膜32およびダミー導電部34を有する。ダミー導電部34は、ゲートパッドとは異なる電極に接続されてよい。例えば、ゲートパッドとは異なる外部回路に接続する図示しないダミーパッドに、ダミー導電部34を接続し、ゲート導電部44とは異なる制御を行ってもよい。また、ダミー導電部34をエミッタ電極52に電気的に接続させてもよい。ダミー絶縁膜32は、ダミートレンチの内壁を覆って設けられる。ダミー導電部34は、ダミートレンチの内部に設けられ、且つ、ダミー絶縁膜32よりも内側に設けられる。ダミー絶縁膜32は、ダミー導電部34と半導体基板10とを絶縁する。ダミー導電部34は、ゲート導電部44と同一の材料で形成されてよい。例えばダミー導電部34は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。ダミー導電部34は、深さ方向においてゲート導電部44と同一の長さを有してよい。
The
本例のゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30は、半導体基板10の上面21において層間絶縁膜38により覆われている。なお、ダミートレンチ部30およびゲートトレンチ部40の底部は、下側に凸の曲面状(断面においては曲線状)であってよい。
In this example, the
半導体基板10は、図1から図19において説明したいずれかの例と同様の、不純物化学濃度CI、水素化学濃度CH、および、ドーピング濃度Ddの分布を有する。本例の半導体装置100によれば、高濃度領域150を設けることで、ドリフト領域19におけるドーピング濃度のばらつきを抑制できる。
The
図22Bは、図22Aのd-d線におけるドーピング濃度Ddの分布例を示す図である。d-d線は、コレクタ領域22およびメサ部60を通過するZ軸と平行な線である。本例のドーピング濃度Ddの分布は、コレクタ領域22からドーピング濃度ピーク121までは、図2に示したドーピング濃度Ddの分布と同様である。本例のドーピング濃度Ddは、蓄積領域16、ベース領域14およびエミッタ領域12のそれぞれにおいて、濃度ピークを有している。本例の半導体基板10は、蓄積領域16およびドーピング濃度ピーク121の間に、バルク・ドナー領域18を有している。バルク・ドナー領域18は、蓄積領域16と接していてよい。つまり、バルク・ドナー領域18と蓄積領域16との境界においては、バルク・ドナー濃度Dbから蓄積領域16の濃度ピークの頂点まで、ドーピング濃度Ddが連続して増加していてよい。
FIG. 22B is a diagram showing an example of the distribution of the doping concentration D d along the line d-d in FIG. 22A. The line d-d is a line parallel to the Z-axis passing through the
図23は、図21におけるb-b断面の他の例を示す図である。本例の半導体装置100においては、高濃度領域150が、ドリフト領域19の全体に渡って設けられている点で図22Aの例と相違する。他の構造は、図22Aの例と同一であってよい。
Figure 23 is a diagram showing another example of the b-b cross section in Figure 21. The
本例の高濃度領域150は、バッファ領域20の上端から、蓄積領域16と接する位置まで設けられてよい。高濃度領域150は、蓄積領域16の内部まで形成されてもよい。この場合、ドーピング濃度ピーク121は、蓄積領域16に配置されてよい。半導体装置100が蓄積領域16を有さない場合、高濃度領域150は、ベース領域14と接する位置まで設けられてよい。本例によれば、ドリフト領域19全体に渡って、ドーピング濃度のばらつきを抑制できる。
In this example, the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。 The present invention has been described above using an embodiment, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiment. It is clear to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiment. It is clear from the claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process, such as operations, procedures, steps, and stages, in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, specifications, and drawings is not specifically stated as "before" or "prior to," and it should be noted that the processes may be performed in any order, unless the output of a previous process is used in a later process. Even if the operational flow in the claims, specifications, and drawings is explained using "first," "next," etc. for convenience, it does not mean that it is necessary to perform the processes in this order.
10・・・半導体基板、11・・・ウェル領域、12・・・エミッタ領域、14・・・ベース領域、15・・・コンタクト領域、16・・・蓄積領域、18・・・バルク・ドナー領域、19・・・ドリフト領域、20・・・バッファ領域、21・・・上面、22・・・コレクタ領域、23・・・下面、24・・・コレクタ電極、29・・・直線部分、30・・・ダミートレンチ部、31・・・先端部、32・・・ダミー絶縁膜、34・・・ダミー導電部、38・・・層間絶縁膜、39・・・直線部分、40・・・ゲートトレンチ部、41・・・先端部、42・・・ゲート絶縁膜、44・・・ゲート導電部、52・・・エミッタ電極、54・・・コンタクトホール、60、61・・・メサ部、70・・・トランジスタ部、80・・・ダイオード部、81・・・延長領域、82・・・カソード領域、90・・・エッジ終端構造部、92・・・ガードリング、100・・・半導体装置、102・・・端辺、106・・・通過領域、111・・・ドーピング濃度ピーク、112・・・下側裾、113・・・上側裾、114・・・傾き、121・・・ドーピング濃度ピーク、122・・・下側裾、123・・・上側裾、124・・・傾き、125・・・傾き、129・・・活性側ゲート配線、130・・・外周ゲート配線、131・・・水素化学濃度ピーク、132・・・下側裾、133・・・上側裾、134・・・傾き、141・・・不純物化学濃度ピーク、142・・・下側裾、143・・・上側裾、144・・・傾き、145・・・傾き、150・・・高濃度領域、160・・・活性部、164・・・ゲートパッド、171・・・化学濃度ピーク、181・・・低濃度領域、201・・・下面領域、211・・・第1の欠陥密度ピーク、212・・・第2の欠陥密度ピーク、213・・・欠陥密度ピーク、311・・・上限、312・・・下限、313・・・上限、314・・・下限 10: semiconductor substrate, 11: well region, 12: emitter region, 14: base region, 15: contact region, 16: accumulation region, 18: bulk donor region, 19: drift region, 20: buffer region, 21: upper surface, 22: collector region, 23: lower surface, 24: collector electrode, 29: straight portion, 30: dummy trench portion, 31: tip portion, 32: dummy insulating film, 34: dummy conductive portion, 38: interlayer insulating film, 39: straight portion, 40: gate trench portion, 41: tip portion, 42: gate insulating film, 44: gate conductive portion, 52: emitter electrode, 54: contact hole, 60, 61: mesa portion, 70: transistor portion, 80: diode portion, 81: extension region, 82: cathode region, 90: edge termination structure portion, 92: guard ring, 100: semiconductor device, 102: Edge, 106...passing region, 111...doping concentration peak, 112...lower side skirt, 113...upper side skirt, 114...slope, 121...doping concentration peak, 122...lower side skirt, 123...upper side skirt, 124...slope, 125...slope, 129...active side gate wiring, 130...peripheral gate wiring, 131...hydrogen chemical concentration peak, 132...lower side skirt, 133...upper side skirt, 134...slope, 141...impurity Chemical concentration peak, 142...lower tail, 143...upper tail, 144...slope, 145...slope, 150...high concentration region, 160...active part, 164...gate pad, 171...chemical concentration peak, 181...low concentration region, 201...lower surface region, 211...first defect density peak, 212...second defect density peak, 213...defect density peak, 311...upper limit, 312...lower limit, 313...upper limit, 314...lower limit
Claims (15)
前記半導体基板の前記下面側に配置され、前記半導体基板の深さ方向において1個以上のドーピング濃度ピークを有する、第1導電型のバッファ領域と、
前記バッファ領域と前記半導体基板の前記上面との間に配置され、バルク・ドナー濃度よりもドナー濃度が高い第1導電型の高濃度領域と
を備え、
前記バッファ領域の前記ドーピング濃度ピークのうち、前記半導体基板の前記下面に最も近い最浅ドーピング濃度ピークは、他の前記ドーピング濃度ピークよりも高濃度の水素ドナーの濃度ピークであり、
実際のバルク・ドナー濃度NBre(/cm3)とバルク・ドナー濃度の仕様値NB0(/cm3)との比βを下式で定義し、
β=NBre/NB0
前記高濃度領域における実際のドナー濃度NFre(/cm3)と前記高濃度領域におけるドナー濃度の目標値NF0(/cm3)との比γを下式で定義し、
γ=NFre/NF0
前記ドナー濃度の目標値NF0に対して、前記バルク・ドナー濃度の仕様値NB0をε'だけ小さく設定する、という意味のパラメータε'を下式で定義すると、
NB0=ε'×NF0
前記比β、前記比γおよび前記パラメータε'の関係が下式で表され、
γ=1+ε'(β―1)
上式において、前記比βの値は、0.1以上、10以下であり、前記比γの値は、0.85以上、1.15以下であり、前記パラメータε'の値は、0.001以上、0.5以下であり、
前記比β、前記比γ、前記パラメータε'の値の範囲内で、前記比γが上式を満たす
半導体装置。 a semiconductor substrate having a top surface and a bottom surface and including a bulk donor;
a buffer region of a first conductivity type disposed on the lower surface side of the semiconductor substrate and having one or more doping concentration peaks in a depth direction of the semiconductor substrate;
a high concentration region of a first conductivity type, the high concentration region having a donor concentration higher than a bulk donor concentration, disposed between the buffer region and the top surface of the semiconductor substrate;
Among the doping concentration peaks in the buffer region, a shallowest doping concentration peak closest to the bottom surface of the semiconductor substrate is a concentration peak of a hydrogen donor having a higher concentration than the other doping concentration peaks;
The ratio β between the actual bulk donor concentration N Bre (/cm 3 ) and the specified bulk donor concentration value N B0 (/cm 3 ) is defined by the following formula:
β=N Bre /N B0
The ratio γ of the actual donor concentration N Fre (/cm 3 ) in the high-concentration region to the target value N F0 (/cm 3 ) of the donor concentration in the high-concentration region is defined by the following formula:
γ=N Fre /N F0
A parameter ε′, which means that the specification value N B0 of the bulk donor concentration is set to be smaller than the target value N F0 of the donor concentration by ε′, is defined by the following equation:
N B0 = ε ' × N F0
The relationship between the ratio β, the ratio γ, and the parameter ε′ is expressed by the following formula:
γ=1+ε′(β−1)
In the above formula, the value of the ratio β is 0.1 or more and 10 or less, the value of the ratio γ is 0.85 or more and 1.15 or less, and the value of the parameter ε′ is 0.001 or more and 0.5 or less,
A semiconductor device, wherein the ratio γ satisfies the above formula within the ranges of the ratio β, the ratio γ, and the parameter ε'.
請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein the semiconductor substrate is an MCZ substrate.
請求項1または2に記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the actual donor concentration N Fre at the center in the depth direction of the semiconductor substrate is equal to or greater than (9.20245×10 15 )/x and is equal to or greater than (9.20245×10 16 )/x, where x (V) is a rated voltage of the semiconductor device.
請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the actual bulk donor concentration N Bre is equal to or greater than (9.20245×10 12 )/x and equal to or less than (4.60123×10 16 )/x, where x (V) is a rated voltage of the semiconductor device.
前記高濃度領域は、ドーピング濃度が一様な一様領域を含み、
前記一様領域のドーピング濃度分布は、第1範囲において、ドーピング濃度分布の平均濃度に対してドーピング濃度分布の値が当該平均濃度の±50%以内であり、
前記第1範囲は、前記高濃度領域の前記深さ方向における長さをZLとし、前記深さ方向における前記最浅ドーピング濃度ピークと前記不純物化学濃度ピークとの間の中心をZ12cとした場合に、中心Z12cを含む0.5ZLの長さの区間である
請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体装置。 an impurity chemical concentration peak disposed on the top surface side of the semiconductor substrate;
the high concentration region includes a uniform region having a uniform doping concentration;
The doping concentration distribution of the uniform region has a value within ±50% of an average concentration of the doping concentration distribution in a first range,
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first range is a section having a length of 0.5ZL including a center Z12c between the shallowest doping concentration peak and the impurity chemical concentration peak, where ZL is a length of the high concentration region in the depth direction, and Z12c is a center between the shallowest doping concentration peak and the impurity chemical concentration peak in the depth direction.
前記不純物化学濃度ピークの頂点から前記上面側に向かって不純物化学濃度が減少する上側裾は、前記不純物化学濃度ピークの頂点から前記下面側に向かって前記不純物化学濃度が減少する下側裾よりも、前記不純物化学濃度が急峻に減少する
請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体装置。 an impurity chemical concentration peak disposed on the top surface side of the semiconductor substrate;
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper side base where the impurity chemical concentration decreases from the apex of the impurity chemical concentration peak toward the upper surface side decreases more steeply than a lower side base where the impurity chemical concentration decreases from the apex of the impurity chemical concentration peak toward the lower surface side.
請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein the buffer region has two or more of the doping concentration peaks.
前記半導体基板のドナー濃度の目標値NF0(/cm3)を決める段階と、
前記半導体基板の上面または下面から荷電粒子および水素イオンを注入する第1注入段階と、
前記半導体基板をアニールする第1アニール段階と、
を備え、
前記水素イオンの注入による水素ドナー濃度をNH(/cm3)とし、
前記半導体基板の実際のバルク・ドナー濃度をNBre(/cm3)とし、
前記半導体基板の実際に得られた最終的なドナー濃度をNFre(/cm3)とすると、
前記ドナー濃度の目標値NF0は、前記バルク・ドナー濃度の仕様値NB0と前記水素ドナー濃度NHにより、NF0=NH+NB0で表され、
前記最終的なドナー濃度NFreは、前記実際のバルク・ドナー濃度NBreと前記水素ドナー濃度NHにより、NFre=NH+NBreで表され、
前記実際のバルク・ドナー濃度NBreと前記バルク・ドナー濃度の仕様値NB0との比βを下式で定義し、
β=NBre/NB0
前記実際のドナー濃度NFreと前記ドナー濃度の目標値NF0との比γを下式で定義し、
γ=NFre/NF0
前記ドナー濃度の目標値NF0に対して、前記バルク・ドナー濃度の仕様値NB0をε'だけ小さく設定する、という意味のパラメータε'を下式で定義すると、
NB0=ε'×NF0
前記比β、前記比γおよび前記パラメータε'の関係が下式で表され、
γ=1+ε'(β―1)
上式において、前記比βの値は、0.1以上、10以下であり、前記比γの値は、0.85以上、1.15以下であり、前記パラメータε'の値は、0.001以上、0.5以下であり、
前記比β、前記比γ、前記パラメータε'の値の範囲内で、前記比γが上式を満たすように、前記第1注入段階および前記第1アニール段階を行う
半導体装置の製造方法。 determining a specification value N B0 (/cm 3 ) for the bulk donor concentration of the semiconductor substrate;
determining a target value N F0 (/cm 3 ) of a donor concentration of the semiconductor substrate;
a first implantation step of implanting charged particles and hydrogen ions from an upper surface or a lower surface of the semiconductor substrate;
a first annealing step of annealing the semiconductor substrate;
Equipped with
The hydrogen donor concentration by the implantation of hydrogen ions is N H (/cm 3 ),
The actual bulk donor concentration of the semiconductor substrate is N Bre (/cm 3 );
If the final donor concentration actually obtained in the semiconductor substrate is N Fre (/cm 3 ), then:
The target value N F0 of the donor concentration is expressed by N F0 =N H +N B0 , where N B0 is the specification value of the bulk donor concentration and N H is the hydrogen donor concentration,
The final donor concentration N Fre is expressed by N Fre = N H + N Bre , where N Bre is the actual bulk donor concentration and N Bre is the hydrogen donor concentration;
The ratio β between the actual bulk donor concentration N Bre and the specified bulk donor concentration N B0 is defined as follows:
β=N Bre /N B0
The ratio γ between the actual donor concentration N Fre and the target value N F0 of the donor concentration is defined by the following formula:
γ=N Fre /N F0
A parameter ε′, which means that the specification value N B0 of the bulk donor concentration is set to be smaller than the target value N F0 of the donor concentration by ε′, is defined by the following equation:
N B0 = ε ' × N F0
The relationship between the ratio β, the ratio γ, and the parameter ε′ is expressed by the following formula:
γ=1+ε′(β−1)
In the above formula, the value of the ratio β is 0.1 or more and 10 or less, the value of the ratio γ is 0.85 or more and 1.15 or less, and the value of the parameter ε′ is 0.001 or more and 0.5 or less,
the first implantation step and the first annealing step are performed within ranges of the ratio β, the ratio γ, and the parameter ε' so that the ratio γ satisfies the above formula.
請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8 , wherein the semiconductor substrate is an MCZ substrate.
請求項8または9に記載の半導体装置の製造方法。 10. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein, when a rated voltage of the semiconductor device is x (V), the final donor concentration N Fre at the center in the depth direction of the semiconductor substrate is equal to or greater than (9.20245×10 15 )/x and is equal to or greater than (9.20245×10 16 )/x.
請求項8から10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 11. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the actual bulk donor concentration N Bre is equal to or greater than (9.20245×10 12 )/x and equal to or less than (4.60123×10 16 )/x, where x (V) is a rated voltage of the semiconductor device.
請求項8から11のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 12. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein in the first implantation step, the hydrogen ions are implanted from the lower surface to a first position, and the charged particles are implanted to a second position closer to the upper surface of the semiconductor substrate than the first position.
請求項12に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12 , wherein the second position is disposed on the top surface side of the semiconductor substrate.
請求項12または13のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 14. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein in the first annealing step, a high concentration region having a donor concentration higher than the bulk donor concentration is formed in the semiconductor substrate from the first position to the second position.
前記一様領域のドーピング濃度分布は、第1範囲において、ドーピング濃度分布の平均濃度に対してドーピング濃度分布の値が当該平均濃度の±50%以内であり、
前記第1範囲は、前記高濃度領域の深さ方向における長さをZLとし、前記深さ方向における前記第1の位置と前記第2の位置との間の中心をZ12cとした場合に、中心Z12cを含む0.5ZLの長さの区間である
請求項14に記載の半導体装置の製造方法。 the high concentration region includes a uniform region having a uniform doping concentration;
The doping concentration distribution of the uniform region has a value within ±50% of an average concentration of the doping concentration distribution in a first range,
15. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein when a length of the high concentration region in a depth direction is ZL and a center between the first position and the second position in the depth direction is Z12c , the first range is a section having a length of 0.5ZL including a center Z12c .
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